未来的钢铁：钛
http://www.newdu.com 2024/11/26 07:11:29 普惠英才 佚名 参加讨论
| 钛，元素符号为Ti。在人类已发现的一百余种元素中，有八十多种是金属元素。在有色金属中，钛归属于稀有高熔点金属之中。
钛在地壳里的储藏量非常丰富、据科学家们测定、推算和估计，其含量是地壳质量的千分之四还要多一点，世界储量约34亿吨，在所有元素中含量居第10位（氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁、氢、钛）。钛的分布很广，在矿石、砂粒、粘土、煤、石油、植物、天然水中都有；陨石也含有钛，说明地球以外的天体里也有钛。看来钛含量多、分布广，所以，人们就称它为“不稀有”的稀有金属。 1791年，英国分析化学家、康瓦尔郡默纳陈教会的牧师格列高尔（1762～1817）发现了钛。一次，他对英国默纳陈河谷中所产的一种黑色磁性矿砂进行研究，发现其中含有棕红色的矿渣粉末（不纯的二氧化钛）。他发生了极大的兴趣，并进行了研究。研究结果撰成论文，但是，在当时未引起人们的重视。1795年，德国矿物学家和分析化学家克拉普罗特在分析匈牙利布伊尼克地区产的红色金红石时，发现外表很象默纳陈矿，在做对比研究之后，知道两者的主要成分相似，只是默纳陈矿含有铁。克拉普罗特确信这是一种新金属的氧化物，并好奇地给这种新元素取名叫“Titanium”（钛），这个名字引用一个希腊神话故事：说天与地的第一代儿子叫“太旦斯”（Titans）。由于钛在高温时非常活泼，能够跟氧、氮、氢、碳等元素化合生成相应的化合物，特别是与氧的结合能力更强，生成非常稳定的氧化物。所以，钛几乎都是以氧化物形式存在于自然界中。因此，钛虽然被发现的很早，但是半个多世纪以来就是没有办法制得金属钛。1849年德国化学家维勒（1800～1882年）用钾与氟钛酸钾共热，制出不纯的金属钛。现在冶炼钛的方法是，先把钛矿石经过一系列处理，转变成四氯化钛，再用镁或钠在惰性气体中还原，生成海绵状钛。 所得产物不能直接使用，还要在真空电弧炉里熔铸成钛锭，并经加工，进一步方得使用的各种型材。金属钛的性质、用途和生产方法等都和其它稀有金属相似，所以，把钛划归在稀有金属里也就不难理解了。 目前已发现含钛矿物有100多种，除金红石外，还有白钛矿、钛铁矿、钙钛矿等。金红石实际上就是较纯的二氧化钛，一般含TiO2在95%以上，它是提炼钛的重要矿物原料，但在地壳中储量较少。白钛矿含二氧化钛70%～92%，而钛铁矿、钙钛矿含二氧化钛较低，一般为35％～52%。钛铁矿、钙钛矿虽然含二氧化钛量较少，但其储量非常大，是生产金属钛和钛白的主要原料来源。我国有丰富的钛铁矿。 从外形上看，钛很像钢铁，但和钢铁相比，具有很多优异性能。因此，钛可成为一种发展快、用途广、收效大的金属。目前，有人把钛叫做“时髦金属”，也有人根据钛在工业上发挥的重要作用及其在未来发展趋势，把钛称为第三金属（第一金属指钢铁，第二金属指铝）、未来的钢铁。 在飞机制造工业上，要求制造所用的材料，既质轻，又强度大。一般是用比强度（材料的强度和比重的比值）来表示它，这个比值越大越好，而钛正符合这个要求。钛的比强度是目前使用材料中最大的，是不锈钢的3倍，是铝合金的1.3倍。所以，在飞机制造工业上，很重视钛这个材料。随着航空工业的发展，飞机的飞行速度越来越快。速度越快、飞机跟空气摩擦产生的飞机表面温度就越高，当速度达到2.2倍音速的时候，铝合金已经不能胜任，而用钢又太重，只有采用钛合金来制造，所以有人说，如果没有钛合金作为制造材料，就不能发展2.5倍音速以上的超音速飞机。 在宇宙航行上，飞船的飞行速度比飞机更要快得多，并且工作环境变化更大，所以对材料的要求也更高、更严格。比如，用火箭把载人的宇宙飞船运到月球上去，要经历从高温到超低温的过程。在返回地面的时候，又从超低温进入高温，当飞船进入大气层的时候，飞船表面温度上升到540℃～650℃。制造宇宙飞船的材料，必须适应这样剧烈的温度变化，而钛合金能满足这些要求。从1957年开始，钛材料大量在宇宙航行上使用，主要用来作火箭的发动机壳体，人造卫星的外壳、紧固件、燃料储箱、压力容器等；还有飞船的船舱、骨架、内外蒙皮等。在宇宙航行上，使用了钛以后，可以大大减轻飞行器的重量。从经济效果来看，由于结构重量的减轻，能够大量节省燃料，同时可以大大降低火箭和导弹的建造和发射费用。 钛的耐腐蚀能力非常强，特别是对海水的抗腐蚀能力，可以与白金相媲美。曾经有人把金属钛放在海水中浸泡了四年半，取出来以后观察，几乎没有被腐蚀，仍然保持原有金属光泽，所以，钛是制造舰艇的良好材料。钛作为耐腐蚀材料，自它的诞生就受到各国的高度重视。比如美国从1963年到1975年，在耐腐蚀材料方面使用钛的量增加了10倍。在日本使用的钛当中，有90%是用在耐腐蚀方面。钛的耐腐蚀能力比不锈钢高150倍。钛和氧有很强的结合能力，当钛暴露在空气中时，其表面立刻形成一层很薄的稳定的氧化膜，并具有特殊的耐腐蚀能力。（如果这层膜受到机械损伤的话，还会重新形成一层薄膜。）现在，电解槽国内外都用钛代替了石墨。目前，在国外有国家已规定：在原子能发电厂，为了安全，必须全部使用钛制冷凝器。在这方面用钛量是相当可观的，如发电量为60万KW的火力发电站，需钛材60t，而发电量为110KW的原子能发电站需要钛材多达150 t。 在合金钢中加入少量的钛，可以大大改善钢的性能，提高钢的强度、韧性和耐腐蚀性能。比如我们最常见的18-8不锈钢中就含有1%左右的钛。在有色金属湿法冶金中，使用了钛以后，也收到良好的效果。比如在金属镍的电解生产中，已经采用钛板代替不锈钢板作母板，不锈钢板只能使用一年左右，而钛板可以使用10年以上，使用寿命延长了10倍。经过长期实验证明：钛在人体内没有毒性，和人体的分泌物不起作用，对任何杀菌方法都适应，且没有磁性，所以，国内外都已经用钛作矫形外科材料和医疗器械。 超导材料是未来极有发展前途的一种材料。用约50%的钛和50%的铌制成的合金，是目前研究和使用最多的一种超导材料。在美国每年生产的100多吨超导材料中，铌钛合金占90%。人工制得的钛酸钡（BaTiO3)具有特殊的性质，它具有高的介电常数，由它制成的电容器具有较大的容量。目前，钛虽然比不锈钢贵2～3倍，但是使用寿合一般比不锈钢要提高10倍以上。这就是说，使用钛材一次投资是贵了些，可是由于使用时间长，终究还是经济的。预计在不远的将来，钛将会像钢铁、铜、铝一样，成为我们日常生活中必不可少的一种金属。 我国丰富的钛的资源，为发展钛工业提供了优越条件，也必将为钛在各个领域里的广泛应用开辟美好的前景。 (责任编辑：admin) |
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