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二十一世纪的金属—钛 华中科技大学同济医学院附属中学 杨丹敏 钛位于元素周期表的IVB族，原子序数22，是一种难溶的稀有金属。 1 钛的发现简史 钛是英国化学家马克·格雷戈尔在1791年研究钛铁矿和金红石时发现的。几年以后，德国化学家克拉普罗特从匈牙利博伊尼克的一种红色金红石中也发现了这种元素，他引用希腊神话中“Titans"(太阳神族)的名字给这种元素起名叫“Titanium”(中文按照它原文名称的译音定名为钛)。其实当时找到的是粉末状的二氧化钛而不是金属钛。直到1910年才被美国化学家亨特第一次制得纯度达99. 9%的金属钛，但总共还不到1 g。 2 钛的存在 钛的蕴藏丰富，但分布却很分散。在地壳外层16 km的范围内钛约占0.6%，仅次于氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁，居第9位。在结构材料中，仅次于铝、铁、镁。 钛是一种十分活泼的元素，可与周期表中许多元素发生化合反应，特别是对氧的亲和力非常大。因此，自然界中没有游离态的元素钛存在。含钛的矿物种类很多，到目前为止已知有近70种，其中最有工业价值的有:金红石(TiO2,)、钦铁矿(FeTiO3)及组成复杂的钒钛铁矿。我国钛蕴藏量居全球之首，四川攀枝花地区有极丰富的钒钛提矿，蕴藏量约15亿吨。 3 钛的性质和应用 钛具有银白色金属光泽，从外观看略似钢，它熔点高(1 725 ℃)，密度小(4.5g/cm3)，机械强度高，容易加工成形。钛比铁强韧得多，比重却只有铁的一半多一点，而且不会生锈；钛比铝重不到两倍，强度比铝大三倍，而且耐热性能远优于铝。在航空工业中 钛用以制造现代超音速飞机，其飞行速度和高度都超过一般的飞机， 钛也用于制造喷气发动机零件(压缩机上的叶轮、涡轮叶片、转子等)。 在火箭、导弹和宇航工业中， 钛主要用作压力容器、燃料贮箱、火箭发动机壳体、火箭喷嘴套筒、人造卫星外壳、宇宙飞船船舱等。(由于钦的密度小，使火箭、导弹、宇宙飞船等重量减轻，降低了制造费用)。 对钛来说，最重要、最稳定的化合物是四价的；但是， 钛相当容易形成三价和二价的化合物。衍生的一价钛化合物大都是不稳定的。 钛在含氧环境中易形成一层薄而坚固的氧化物薄膜，这种薄膜能耐氧化溶液和氯化物溶液的浸蚀，因而使钛具有优异的耐腐蚀性能，钛抗海水腐蚀的能力比其他所有金属都好，无论是在静止的或高速流动的海水中钛都具有特殊的稳定性。因此，钛是海水淡化装置的理想材料。钛也是造船工业的理想结构材料，用钛制造的轮船，银光闪闪，用不着涂漆，在海水中船行几年也不会生锈。用钛制的军舰、潜水艇没有磁性，不会被磁性水雷发现和跟踪，而且能抗深水压力。 钛与各种浓度的硝酸、稀硫酸，各种弱减的作用非常缓慢，在化学工业中，可用以制造各种化工设备如热交换器、泵、反应器、加热器等。例如在化肥工业中，目前国外已使用钛材来制造尿素生产中的合成塔、反应器、搅拌器、换热器、分离器和压缩机等设备。 钛与氧和氮的化学亲合力非常强，所以在炼钢过程中可用钛作脱氧剂和脱氮剂(钛与溶解在钢中的氮相互作用生成不溶解的氮化物)，从钢中彻底清除氧、氮杂质，使钢的结构致密化并提高钢的机械性能。 另外，钛在含有金属离子的酸性溶液中具有很好的稳定性，因此，钛在湿法冶金工业中，如铜、镍、钴、锰等有色金属的电解生产中，有着十分广泛的应用。 钛在医学上有着奇妙的用处，在骨骼损坏了的地方，用钛片和钛螺丝钉钉好，过几个月骨头就会重新长在钛片的小孔和钛螺丝钉的螺纹里，新的肌肉纤维便包在钛的薄片上，这种钛“骨头”犹如真的骨头一样。因此，钛被称为“亲生物金属”。 随着工业的发展和科学技术的进步，钛开始应用于日用品方面，如高尔夫球杆、滑雪板、眼镜架、照相机外壳等。 4 钛合金的功能特性 钛合金有记忆、超导和吸氢等三种特殊功能。钛合金的这三种特殊的功能在开发新能源中有特殊作用。 4.1 记忆功能 指的是钛镍合金在一定温度下有恢复原有形状的本领。 4.2 超导功能 指的是钛妮合金做成的导线，当温度接近-273 ℃时，电阻为零。钛妮合金可做超导材料。 4.3 钛铁合金 有吸收氢气的功能。它可以把氢气大量、安全地贮存起来用以代替笨重的钢制高压气瓶。在一定条件下，又可以把贮存的氢气放出来，我们把这类合金称为贮氢材料。 5 钛的展望 金属钛工业是靠制造飞机发展起来的，如美国在二十世纪五十年代初生产的全部钛金属都用在制造飞机上。目前钛的应用主要受到产量的限制，但是随着科技的发展，冶炼技术的不断改进，钛的年产量逐渐提高，金属钛的许多优良性能将会得到越来越广泛的应用，钛大有可能成为继铜、铁、铝之后的第四代金属，成为未来的钢铁。因此，有人把钛誉为二十一世纪的金属。 (责任编辑：admin) |