鈦纖維制品的應用研究現狀

張嚴 王磊 孫鵬 蘇娜 李天賜

摘要：鈦纖維作為一種新型材料，兼具金屬鈦本身所固有的優勢以及纖維材料的特性，因而具有其特殊的應用價值。文章簡要介紹了鈦纖維在吸聲材料、增強材料以及生物醫用材料領域的應用。

關鍵詞：鈦纖維;吸聲材料;增強材料;生物醫用

中圖分類號：TB383 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）12-0181-02

金屬纖維是材料科學發展進程中的一個新型的領域，近年來，研究人員對金屬纖維研發及應用的關注越來越多，尤其是在航空航天、石油化工、國防軍事及醫藥等領域。金屬纖維是將金屬絲材制備成一定長徑比的纖維狀材料，在繼承了金屬材料本身固有性能的前提下，還能通過纖維化來擴充其應用范圍。采用金屬纖維制備的金屬多孔材料由于其特有的多孔隙特點，具有較多單一功能材料所不能達到的應用范圍。

盡管近年來對金屬纖維的研究越來越多，但大都集中在不銹鋼纖維的研究上，對于鈦纖維的研究相對較少。鈦纖維具有耐高溫、耐低溫、耐腐蝕、質輕、具良好的吸收沖擊能量能力等一系列優勢，因此，鈦纖維及鈦纖維多孔材料的使用范圍更廣、能夠應用于惡劣條件。

1鈦纖維的應用領域

1.1吸聲材料

聲波進入疏松多孔結構的材料時，一方面由于空氣分子的摩擦而產生粘滯阻力，另一方面通過熱傳導將聲能轉化為熱能，從而達到吸音的目的。纖維材料是一種應用極其廣泛的吸聲材料，這是由于：一方面其內部具有貫通的開口孔，能夠增大聲波與空氣分子的摩擦從而增大粘滯阻力;另一方面，細小纖維的機械振動能夠更進一步地增加聲能和熱能間的轉換。

根據纖維的種類，纖維吸聲材料一般可分為無機纖維、有機纖維以及金屬纖維等幾類，這幾類纖維材料都具有較好的吸聲性能。其中，無機纖維和有機纖維吸聲材料價格較低，但無機纖維性脆且受潮后吸聲性能降低，有機纖維耐火、耐潮、耐蝕性差。金屬纖維除了兼具纖維吸聲材料的基本性能外，其強度高、導熱性好、耐腐蝕、耐高溫，并且還具有金屬材料特有的電磁屏蔽性能，因此可用于有如高溫、高壓等有特殊要求的應用場所，如用于高壓下的航空發動機聲襯材料、如用作水下低頻吸聲材料等。李東峰等研究了300℃下鈦纖維的吸聲性能，結果表明，300℃時鈦纖維的高溫吸聲試樣的傳熱曲線規律與其在常溫下一致，即鈦纖維的吸聲性能受溫度的影響不大。

目前，針對鈦纖維材料吸聲方面的研究還相對較少，其他可能的應用還有待進一步的研究。

1.2增強材料

隨著科學技術的發展，單一工程材料的性能開發已跟不上其迅速增長的性能需求，因此，按一定比例、方式復合材料已成為當前的一個重要的研究方向。如由金屬基體材料作為載體、添加增強體而成的金屬基復合材料，其性能在一定程度上取決于所加入的增強體的性能。對于一些合適的金屬材料，鈦纖維即是一種比較理想的增強材料。

王玲等人利用鈦與鎂間良好的結合特點，采用無壓浸滲法，將直徑為10um的鈦纖維、以10～30%的體積分數加入鎂錫合金中作為增強體。結果表明，鎂錫合金基鈦纖維增強復合材料的力學性能隨著鈦纖維含量的增大而增強。這是因為，以鈦纖維作為增強體，首先能夠避免類似加入陶瓷纖維后導致的低應變條件下的早期斷裂，又能夠避免加入鎳或銅等增強體時導致的鎂合金質輕方面的損失。

鈦鋁合金因其高比模量、高比強度、高溫強度、高溫抗氧化、高溫抗蠕變性能、質輕等優勢成為新一代航空發動機構件的最優材料之一，但其易開裂、低室溫塑性的缺陷嚴重制約了鈦鋁合金的應用。王文生等人的研究表明，向鈦鋁合金中引入鈦纖維，能夠阻止裂紋在鈦鋁合金基體中的傳播、擴展，還能夠進一步地提高基體合金的比強度、比模量，更能夠通過吸收變形來協調晶內和晶間變形、韌化基體合金。晏建武等人的研究也表明了，Ti-4822合金基鈦纖維強化復合材料的彎曲強度相較于Ti-4822基體合金提高15%。

1.3生物醫用

生物醫用材料是一類可用于替代人體器官、組織或者是能夠增進其功能的新型材料，目前已可用于骨傷修復、人工牙種植體、人工關節、血管支架等諸多方面。由于生物機體的復雜性，要使外科植入材料在人體內長期穩定服役，其必須具備以下特點：（1）良好的力學相容性，即足夠的強度及韌性，耐蝕、耐磨，疲勞及斷裂抗性高，具有適當的彈性模量;（2）良好的生物相容性。

鈦及鈦合金由于以下優勢，使其成為非常適合的生物醫用材料圈：（1）質輕、密度（20℃）=4.5g/cm3，植入后減輕人體負荷。（2）與其他植入材料相比，具有更低更接近人骨的彈性模量，能夠降低人骨對于外來植入物的應力屏蔽。（3）無磁性，不受外界電磁場等的影響。（4）無毒性。（5）作為隋性金屬材料，與人骨、細胞組織、血液都具有良好的生物相容性，無過敏反應、無人體污染。（6）良好的力學相容性。

對于鈦纖維而言，其在生物醫用領域的作用主要表現在以下兩方面：

一方面，骨缺損的修復一直是一大難題，近年來，將纖維與生物材料復合的方式為其提供了一種思路。纖維的引入能夠限制裂紋的擴展，從而提高生物醫用材料的斷裂韌性，裂紋擴展所需的外力相較于無纖維增強的生物材料而言則更大。基于鈦及鈦合金自身所具有的優勢，鈦纖維無疑是最適合的纖維增強材料。

另一方面，諸多學者對于生物細胞在鈦纖維表明的粘附和增殖情況的研究表明，由于鈦纖維材料多變且可調可控的孔隙結構，新型鈦纖維醫用多孔材料能夠促進組織再生、加速愈合過程，因此在組織的修復方面取得了顯著的進展。

14其他應用

除上述應用外，鈦纖維多孔材料還具有其他一些特殊應用，如利用鈦纖維的傳熱性能制備高效換熱器，如用于高效燃燒、過濾分析、電磁屏蔽等領域凹。

2結束語

綜上所述，鈦纖維材料由于兼具金屬鈦本身所固有的優勢、以及纖維材料的特性，因而具有廣泛的應用領域，使其能夠用在一些特殊的、苛刻的條件中，未來還具有很大的研究開發潛力及價值。