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        金屬鈦的性能、發(fā)展與應(yīng)用

        2017-09-17 17:01:18黨宏
        科學(xué)與財富 2017年25期
        關(guān)鍵詞:應(yīng)用發(fā)展

        黨宏

        摘 要:金屬鈦是一種分布廣泛的金屬,在自然界的金屬儲備中排列第七位,主要以鈦合金的形式存在,在航天、醫(yī)學(xué)、汽車制造等諸多領(lǐng)域都有重要應(yīng)用。隨著鈦工業(yè)的不斷發(fā)展,金屬鈦在各個領(lǐng)域發(fā)揮出了越來越重要的作用,成為21世紀(jì)最有價值的金屬之一。本文將對金屬鈦的理化性能、鈦工業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r以及金屬鈦、鈦合金的具體應(yīng)用進(jìn)行分析。

        關(guān)鍵詞:金屬鈦;性能;發(fā)展;應(yīng)用

        前言:金屬鈦是自鐵、鋁之后的第三大金屬,在各行各業(yè)中有著廣泛應(yīng)用,為推動人類社會文明進(jìn)步作出了巨大貢獻(xiàn)。隨著鈦金屬時代的來臨,金屬鈦的使用逐漸成為衡量一個國家經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、軍事實力的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。因此,對金屬鈦的性能及發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行研究十分必要,在此基礎(chǔ)上探討金屬鈦和鈦合金的具體應(yīng)用,提高鈦金屬的利用率和利用水平,為推動我國航天、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展注入新的活力。

        一、金屬鈦的性能分析

        (一)物理性能

        鈦金屬在自然界中主要以TeTiO3、TiO2等形式存在,運站地殼質(zhì)量的0.42%,分布較為廣泛,目前已發(fā)現(xiàn)的含鈦礦物高達(dá)70余種。而且海水中也含有金屬鈦,相關(guān)測量結(jié)果表明,在海底中含有大量的金屬鈦。金屬鈦的外觀與鋼類似,銀白色具有光澤,密度約為鋼的57%左右,但強(qiáng)度與鋼十分接近,同時具備質(zhì)輕和高強(qiáng)度兩方面優(yōu)點。純度越高的金屬鈦可塑性越好,但是當(dāng)其雜質(zhì)含量較高時,就會變得硬而且脆[1]。

        (二)化學(xué)性質(zhì)

        金屬鈦屬于活剝金屬,在常溫下易溶解于HCL、H2SO4中,容易被磷酸、氫氟酸和熔融堿侵蝕,但不與氯氣和硝酸等發(fā)生作用。金屬鈦的平衡電位較低,具有較大的熱力學(xué)腐蝕傾向,但在多數(shù)介質(zhì)中穩(wěn)定性較強(qiáng),具有一定的耐腐蝕性。金屬鈦在含氧介質(zhì)中會在表面生成一層惰性氧化膜,對其本體進(jìn)行保護(hù)。該氧化膜在315℃條件下都能夠保持自身特性,從而能對金屬鈦進(jìn)行有效保護(hù)[2]。

        二、鈦工業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r

        相比于鐵鋁等金屬,鈦被發(fā)現(xiàn)和利用的時間較晚,人們在18世紀(jì)末才發(fā)現(xiàn)這一金屬。而且當(dāng)時被人們找到的是二氧化鈦,而不是純粹的金屬鈦。直到20世界初,人們才掌握使用TiCl4與Na制備高純度金屬鈦的方法。到1940年時,Krall用鎂還原TiCl4成功支取海綿鈦,并通過氬氣電弧熔煉,獲得金屬純鈦,奠定了鈦工業(yè)的基礎(chǔ)。該技術(shù)最初被轉(zhuǎn)讓給美國,由美國率先實現(xiàn)鈦金屬的工業(yè)化生產(chǎn)。隨著海綿鈦工業(yè)的快速發(fā)展,其年產(chǎn)量不斷提高,到1990年時,世界年產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到13萬噸,并以每年5%的速度持續(xù)增長。但由于金屬鈦的冶煉難度較大,目前具備金屬鈦生產(chǎn)能力的國家仍占少數(shù)。其中,美國是金屬鈦工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)源地,金屬鈦的產(chǎn)量最高,多數(shù)金屬鈦及其合金材料被應(yīng)用于航空領(lǐng)域。日本的金屬鈦材料則被應(yīng)用于制造耐腐蝕材料,被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、船舶、汽車制造等領(lǐng)域。隨著各國軍備的縮減,金屬鈦在軍備領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸減少,在民用領(lǐng)域的應(yīng)用不斷增加,日本的鈦工業(yè)發(fā)展受到世界各國的廣泛關(guān)注。

        三、金屬鈦及鈦合金的具體應(yīng)用

        (一)在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用

        金屬鈦及其合金具有良好的理化特性,在航天、醫(yī)療、石油化工等各個領(lǐng)域都有重要應(yīng)用,還被用于制造核反應(yīng)堆的零部件。在不銹鋼中加入1%的金屬鈦,可以極大提升不銹鋼的抗銹能力。在航空航天領(lǐng)域中,金屬鈦以及鈦合金被用于制造航天飛機(jī)、人造衛(wèi)星、火箭等的原材料。細(xì)鈦粉還可以被用于充當(dāng)火箭燃料,具有良好的燃燒特性。金屬鈦被應(yīng)用于航天領(lǐng)域與其耐用性有密切關(guān)系,其抗腐蝕能力是一般不銹鋼的15倍以上,使用壽命可達(dá)到普通不銹鋼的10倍左右。由于鈦金屬的這種特性,也被廣泛應(yīng)用于電影制片廠的洗印設(shè)備制造中,可以有效抵御各種強(qiáng)酸強(qiáng)堿類洗印藥物。另一方面,鈦合金可以在550℃以上的高溫下保持較好的機(jī)械性能,因此被廣泛應(yīng)用于制造飛機(jī)噴氣發(fā)動機(jī)和機(jī)體等部件。由于超音速飛機(jī)在飛行時表面溫度過高,使用一般金屬材料難以保持機(jī)械性能,因此鈦合金成為其主要制造材料,超音速飛機(jī)又被稱為鈦飛機(jī)。

        (二)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用

        金屬鈦在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛,比如人造心臟、人造骨骼、人造關(guān)節(jié)和鈦義齒等。鈦在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用起始于20世紀(jì)60年代時瑞典生理學(xué)家的一次實驗,瑞典生理學(xué)家布瑞馬克在實驗時將一直含鈦金屬管留在兔子體內(nèi),之后發(fā)現(xiàn)含鈦金屬管與兔子骨骼牢固結(jié)合。經(jīng)過后續(xù)實驗研究證明,金屬鈦與生物機(jī)體有良好的相容性,可以與骨骼緊密結(jié)合。2001年時,第一顆使用金屬鈦制造的人在心臟成功起跳,利用鋰電池提供動力,由計算機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)泵血量,在動物身上的實驗已經(jīng)取得成功,為需要更換心臟的患者帶來了新的希望。金屬鈦在種植義齒方面表現(xiàn)出色,可以與骨組織良好結(jié)合,而且具有較好的延展性和抗腐蝕性,被譽(yù)為第三副牙齒。在以往的外科接骨中,主要使用不銹鋼金屬,但在治愈后,需要將鋼片拆除,否則會因不銹鋼生銹對人體產(chǎn)生危害。使用鈦金屬代替不銹鋼可以使患者免受這一痛苦,新長出的骨頭和肌肉纖維會將鈦片包裹起來,使其成為血肉的一部分,在人體內(nèi)發(fā)揮骨骼的支撐作用,而且不用擔(dān)心鈦片會被腐蝕。鈦金屬是一種優(yōu)越的生物材料,在關(guān)節(jié)、骨骼的固定夾方面都有重要應(yīng)用。金屬鈦的強(qiáng)度和韌性都非常接近生物骨骼的需求,但由于其缺乏生物活性,因此還不能成為骨骼的代替品,在一定程度上限制了鈦金屬在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。

        (三)在汽車制造業(yè)的應(yīng)用

        鈦金屬和鈦合金在汽車制造業(yè)也有重要應(yīng)用,日本松下公司研制的鎂鈦合金的儲氫能力遠(yuǎn)超鑭系合金,被應(yīng)用于汽車儲氫罐制造。鈦被汽車制造行業(yè)所關(guān)注的主要原因還是其質(zhì)輕、強(qiáng)度高等特點,使用鈦材料制作汽車零部件,可以有效降低車身重量,在賽車制造商有非常廣泛的應(yīng)用。目前只有鈦金屬制造的汽車材料主要有進(jìn)氣閥和排氣閥、連桿、曲軸、發(fā)動機(jī)部件,以及壓力板等零部件。使用鈦合金制造的離合器外殼,還可以有效防止飛輪沖擊破壞。

        (四)在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用

        鈦金屬和鈦合金在生活中也有廣泛應(yīng)用,目前使用較多的有高爾夫球桿、網(wǎng)球拍外框、自行車框架結(jié)構(gòu)等。鈦金屬經(jīng)過電鍍、加熱后可以呈現(xiàn)出多種顏色,而且自身堅固耐腐蝕,也被廣泛應(yīng)用于珠寶設(shè)計領(lǐng)域。鈦金屬在筆記本制造中的應(yīng)用可以為筆記本電腦提供有效保護(hù),避免無線環(huán)境對筆記本電腦部件產(chǎn)生損壞。由于鈦金屬的優(yōu)秀性能,在建材、眼睛、鐘表制造等領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用。日本還研制出鈦合金染色技術(shù),簡化了傳統(tǒng)染色工藝,可以獲得較好的染色效果。其中,二氧化鈦是一種良好的白色顏料,已經(jīng)被作為高級油漆的原料。使用二氧化鈦作為白色油漆原料,不僅染色效果優(yōu)異,而且無毒害,在顏料制作中得到廣泛應(yīng)用。此外二氧化鈦還被作為玻璃、陶瓷等制作的添加劑,可以改善其性能。總體來說,金屬鈦的應(yīng)用具有十分廣闊的發(fā)展前景。

        結(jié)束語:綜上所述,金屬鈦是一種在自然界中廣泛分布并具有巨大應(yīng)用價值的優(yōu)質(zhì)金屬,隨著鈦工業(yè)和冶煉技術(shù)的快速發(fā)展,鈦金屬的應(yīng)用價值逐漸被挖掘出來,成為推動航天、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域發(fā)展的重要動力。因此,應(yīng)加大力度對金屬鈦和鈦合金的研究與應(yīng)用,充分發(fā)揮鈦金屬的作用,提高相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)水平。本文主要分析了鈦金屬的性質(zhì)、發(fā)展和在各行各業(yè)的應(yīng)用,希望能促進(jìn)鈦金屬利用水平的提升。

        參考文獻(xiàn):

        [1]崔婉,趙迪,張旭. 有色金屬鈦在高分子材料制備中的應(yīng)用[J]. 世界有色金屬,2016,(17):111+113.

        [2]董琛琛. 鈦的羥基羧酸配合物的合成與應(yīng)用研究[D].華中師范大學(xué),2009.

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