金属钛概述

早在1791年,英国化学家格雷戈尔在研究金红石时就发现了钛金属,然而提取单质的钛却屡遭失败,重要的原因在于该研究对提炼的设备有着极其苛刻的要求,因为钛在高温下会变得十分活泼,在提炼的过程中会和空气中的氧、氮、碳等元素发生反应。直到1910年美国化学家亨特才第一次提炼出纯度达99.9%的金属钛,它的“庐山真面目”也得以显露,其应用行业也逐步增多。研究表明钛在地壳中约占总重量的0.42%,是铜、镍、铅、锌总量的16倍,它在金属世界里排行第七,含钛的矿物多达70多种。

目前钛的生产量激增,被称为“21世纪的金属”。由于钛金属在物理和化学性质方面的独特性,目前已经被应用于航空、医疗等多个领域,随着钛的功能被进一步开发,制造技术不断进步,未来发展潜力更为广阔。

应用

钛从发现至今,科学家们一直对其的应用领域进行探索和试验,以便造福人类,使其成为有助于人类文明发展的一项重要资源。截止到目前,钛金属的应用主要集中在以下几个领域。

航空、航天方面的应用

20世纪之初人们发明了飞机,从此开启了人类的航空航天的新时代。早期的飞机制造材料主要是木头,但有易碎、易断裂和易腐朽的缺陷,随着飞机在第一、二次世界大战中应用,人们对飞机的性能要求越来越高,于是塑性好、强度高、易于加工、重量较轻的铝合金飞机应运而生,但铝合金飞机存在不耐高温、不耐磨的缺点。为了解决以上问题,科学家们一直在寻找一种可以替代铝合金来制作飞机骨架的金属,于是钛走进了飞机制造者们的视野。从钛的性质可知,钛的密度小,又具有高的热强性和持久强度,在振动载荷及冲击载荷作用下裂纹扩展的敏感度低,又有良好的耐腐蚀性,钛及其合金的强度与钢材的强度相当,但重量却是钢材的57%,因此用钛合金代替铝合金来制造飞机便是趋势,在现代飞机制造上,人们便在飞机发动机以及壳体结构中,普遍采用了高强度的钛及钛合金以取代铝合金。

目前,以钛合金为主制造的飞机在航空领域所占的比重已经具有了压倒性优势,尤其是美国军方的飞机大都是钛合金产物。比如它的高超音速的侦察机SR一71。此飞机中钛合金的质量占了全机总质量的92%,而且首次采用了B钛合金。再比如,美国的第四代的战斗机F一22,太空飞机,钛的所占比例也都达到了50%~60%。还有,F一14、F一15、F一18大黄蜂、F一117夜鹰、B一1轰炸机、B一2轰炸机内钛的比例依次为24%、27%、13%、25%、22%、和26%。在超音速飞机的重量构成中,用钛量要占到95%以上。事实证明,如果不采用钛合金就很难发展超音速飞机,因为用钛合金制造的飞机与用铝合金相比可以减少5t左右的质量,在载客量不变的情况下,钛合金飞机的速度大增。此外,在发展火箭和其他航空发动机时,钛的应用比例也越来越高,一般都占总重量的18%~25%,据研究表明,全世界钛的一半产量都是应用在了航空发动机上圆。[6]

医疗领域的应用

钛金属在医疗领域的使用也是比较广泛的:

第一,在牙齿修复和再造中大量使用。由于钛具有良好的耐蚀性、人体亲和性,人体与它接触时候不产生过敏,再加上极低的导热率,可以减轻对齿冠牙齿牙髓的热刺激,因此倍受牙科医生的青睐。从20世纪80年代开始,发达国家就采用钛来修复牙齿,这种以钛合金制作的义齿,对恢复牙齿的功能有很大帮助,它外形美观,色泽与人体的牙齿没有较大的差异,且光泽、耐磨、耐腐蚀方面都符合永久修复体的要求,受到人们的欢迎,目前钛及钛合金的研究已成为牙科应用合金的热点问题之一。

第二,还可以应用在人体骨骼、组织移植和再造中。在大量的外科手术中,对人体的骨骼、组织进行移植,再造和连接是常常发生的事情。而要成为人体骨关节的替代材料应具备以下几个基本的性质:轻质、高强、具有生物相容性、耐蚀性,且植入体内所发生的组织反应不能引起材料的劣化,还要在预期的寿命内必须保持功能,在经受疲劳、磨损、腐蚀和冲击荷载时不会劣化,而钛及钛金属的物理和化学性能都符合上述性能要求。因此,用钛制作人造骨骼不但能满足上述要去,而且根据实验表明,人体细胞可以在上面再生骨骼和生长。

目前,钛金属已广泛应用于人工骨关节、人工骨、接头脚板、断骨固定器、骨髓内钉、人工心脏瓣膜、头盖骨等临床置换和修复中,实践证明钛的应用效果良好,目前还没发现有明显与人体相排斥的案列。第三,钛金属被制作成的手术器械早就成为了医生们最喜爱的器具。手术器械发展至今,钛已经成为了主角。第一代手术器械主要是用碳钢制作,第二代为奥氏体、铁素体和马氏体不锈钢手术器械,但人们多次的临床使用后就发现不锈钢有毒性,会对伤口有感染,而用钛做成的器械可以有效避免上述问题,因此外科手术器械中就有了第三代——钛手术器械,它质量轻,耐腐蚀、弹性和柔软度方面为第一、二代手术器械所不及,且在手术过后可以反复擦洗使用,因此用钛制作的手术器械备受外科医生们的青睐。

工业生产方面的应用

由于钛在酸、碱、烟介质中具有极强的耐腐蚀,因此呈现较好的稳定性的特点中。比如,在氯碱工业中,广泛使用钛金属作为金属阳极和钛制湿氯气冷却器,收到了很好的经济效果,可以说是一场氯碱工业的大革命。利用钛具有良好稳定性的特点,它成为了石油提炼和石油炼制的过程中好的结构材料,而且在热交换器、反应器、高压容器和蒸馏器都有广泛的应用。再比如,由于钛作为活性金属具有良好的吸气功能,因此它成了炼钢工业中的脱气剂,它能化合钢在冷却时析出的氧和氢。假如在钢中加入少量的钛((Ti)=0.1%)可使钢坚硬而富有弹性。因此,钛成为了炼钢、炼铝工业中重要的合金添加剂。在湿法炼铜的工业中,在电解铜、锰、钴、镍过程中,钛被广泛的应用。利用钛的抗腐蚀性,如今在提炼化肥的生产中,钛就替代了不锈钢成为了重要提炼设备的应用部件。因尿素、氨、氨基甲酸铵的混合液在高温高压的条件下有很高的腐蚀l生,一般的设备难以承受长时间的腐蚀,但钛的优异抗腐蚀生就能克服上述弊端,不仅如此,在海水淡化工业、造船工业中也广泛使用钛,因为钛的抗海水的腐蚀能力比其他金属都要好,在静止或者流动的海水中都有极强的稳定性。

总之,多年以来,由于科学家们的不断努力,对钛的认识也越来越深刻,人们驾驭使用它的能力也越来越强。

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