一文看懂高科技金属钛的特性、来源、用途及发展(建议收藏)

   2024-02-26 IP属地 陕西8830

  一、的特性

  钛(Titanium)是一种过渡金属元素,化学符号Ti,原子序数22,在化学元素周期表中位于第4周期、第IVB族。已知的钛的同位素有13种,包括钛-41至钛-53。其中钛的稳定同位素有钛-46,钛-47,钛-48,钛-49,钛-50共五种,其余的同位素均有放射性。

  化学特性:

  钛属于化学性质比较活泼的金属。加热时能与氧气、氮气、氢气、硫和卤素等非金属作用。但在常温下,钛表面易生成一层极薄的、致密的、钝性的、能自行修补裂缝的氧化物薄膜,而具有优良的抗腐蚀性,不受硝酸,潮湿氯气,稀硫酸,稀盐酸及稀碱的侵蚀,连酸中之王——王水(浓盐酸和浓硝酸按体积比为3:1组成的混合物)都无法将其溶解。钛的保护性氧化膜经常是当金属碰到水时形成的,即使少量的水或水蒸气中也能形成。如果把钛暴露于完全没有水的强氧化性环境里,就会发生快速氧化并产生剧烈反应,甚至常出现自燃。钛与含过量氧化氮的发烟硝酸以及钛与干氯气的反应就发生过这类现象。所以要预防发生这类反应,必须有一定量的水分。钛不能应用于干氯气中,即使是温度0℃以下的干氯气,也会发生剧烈的化学反应,生成四氯化钛,再分解生成二氯化钛,甚至燃烧。只有当氯气中的含水量高于0.5%的时候,钛在其中才能保持可靠的稳定性。

  为安全起见,储存时以不少于25%的水润湿、钝化。储存于阴凉、通风的库房。远离火种、热源。库温不超过35℃,保持容器密封,严禁与空气接触。应与氧化剂、酸类、卤素等分开存放,切忌混储。配备相应品种和数量的消防器材。储区应备有合适的材料收容泄漏物。

  物理特性:

  单质钛呈银白色,具金属光泽。粉末钛呈灰色。钛的熔点高(1660℃),沸点为3287℃,密度小(密度为4.5g/cm³,比钢轻43%)、延展性好,在硬度、耐热性及导电导热性方面,与其他过渡金属(如铁、)相似,但是它比其他具有相似的机械和耐热性能的金属轻得多;声音在其中的传播速率为5090m/s。钛溶于稀酸,不溶于冷水和热水。液态钛几乎能溶解所有的金属,因此可以和多种金属形成合金。钛加入钢中制得的钛钢坚韧而富有弹性。钛与金属Al、Sb、Be、Cr、Fe等生成填隙式化合物或金属间化合物。钛金属在500℃的高温下/-253℃低温下长期使用也可以保持其金属特性,通常铝在150℃,不锈钢在310℃即失去了原有性能,而钛合金在500~600℃左右仍保持良好的力学性能。而且钛金属在-253℃低温下依旧能保持较好的延展性和韧性。钛无磁性。钛的热导率小,仅为钢的1/5,铝的1/13,铜的1/25。抗阻尼性能低,用钛及其他金属材料(铜,钢)制成形状和大小完全一样的钟,用同等的力把每个钟敲一下就会发现,用钛做的钟振荡起来声音持续的时间长,即通过敲击给予钟的能量不容易消失,所以我们说钛的阻尼性能低。

  二、钛的发现

格雷戈尔

  1791年:英国的业余矿物学家格雷戈尔(Reverend William Gregor,1762—1817)在康沃尔郡的马纳坎小溪旁找到了一些黑沙,后来他发现了那些沙会被磁铁吸引,他意识到这种矿物(钛铁矿)包含着一种新的元素。经过分析,发现沙里面有两种金属氧化物:氧化铁(沙受磁铁吸引的原因)及一种他无法辨识的白色金属氧化物。他很快意识到这种未被辨识的氧化物含有一种未被发现的金属,而这正是钛元素的雏形。格雷戈尔对康沃尔郡皇家地质学会及德国的《化学年刊》发表了这次的发现。大约就在同时,米勒·冯·赖兴斯泰因(Franz-Joseph Müller von Reichenstein)也制造出类似的物质,但却无法辨识它。

  1795年:德国化学家克拉普罗特(Martin Heinrich Klaproth,1743—1817)在研究匈牙利产的金红石时也发现了该种氧化物,他主张采取为铀(1789年由克拉普罗特发现的)命名的方法,引用希腊神话中泰坦神族“Titanic”的名字给这种新元素起名叫“Titanium”,中文音译为“钛”。当他知道格雷戈尔之前的发现后,也取得了一些马纳坎矿物的样本,并证实它含钛。化学大家克拉普罗特并没有跟格雷戈尔争夺钛元素发现者的名头,所以科学界普遍认同是格雷戈尔发现了钛元素。

  1910年:格雷戈尔和克拉普罗特当时所发现的钛是粉末状的二氧化钛,而不是金属钛。因为钛的氧化物极其稳定,而且金属钛能与氧、氮、氢、碳等直接激烈地化合,所以单质钛很难制取。直到1910年美国化学家亨特(Matthew A.Hunter)用钠还原TiCl4制得纯度达99.9%的金属钛。

  三、钛的发展

  全球发展历程

  1940年:卢森堡科学家W.J.Kroll用镁还原TiCl4制得了纯钛。从此,镁还原法(又称为克劳尔法)和钠还原法(又称为亨特法)成为生产海绵钛的工业方法。

  1948年:美国在用镁还原法制出2吨海绵钛,从此开始了钛的工业化生产。

  1955年:产量激增到2万吨。

  1972年:年产量达到了20万吨。

  据统计,世界上每年用于宇宙航行的钛,已达一千吨以上。极细的钛粉,还是火箭的好燃料,所以钛被誉为宇宙金属,空间金属。

  中国钛发展历程

  1954年:北京有色金属研究总院开始进行海绵钛制备工艺研究。

  1956年:中国把钛当作战略金属列入了12年发展规划。

  1958年:在抚顺铝厂实现了海绵钛工业试验,成立了中国第一个海绵钛生产车间,同时在沈阳有色金属加工厂成立了中国第一个钛板带加工材生产试验车间。宝鸡钛材加工装备、技术水平及生产能力均居全国第一,生产能力占全中国的60%左右,市场份额占中国国内钛加工材市场85%,占世界产量的22%,承担着中国90%以上高端钛材产品的生产任务,号称中国钛谷。

  20世纪60-70年代:在中国的统一规划下,先后建设了以遵义钛厂为代表的10余家海绵钛生产单位。

  1967年:在洛阳铜加工厂成立了中国第一个钛管棒加工材生产试验车间和第二条钛板带材生产试验车间,并为主承担了当时国内第一艘核潜艇、第一艘导弹驱逐舰及航空用钛材的试制开发任务。

  1972年:宝鸡有色金属加工厂建成投产后,洛阳铜加工将工艺资料移交北京有色研究总院,按照冶金部的专业划分,不再承担钛材料的开发试制工作;以北京有色研究总院、沈阳铝镁院、抚顺铝厂、沈阳有色金属加工厂、东北轻合金加工厂、洛阳铜加工厂等单位为主,援建了宝鸡有色金属加工厂和宝鸡贵金属所,从此按照行业划分,以宝鸡有色金属加工厂和宝鸡贵金属所为主,承担了国内大部分钛加工材料的生产开发试制工作。同时中国也成为继美国、前苏联和日本之后的第四个具有完整钛工业体系的国家。

  1980年前后:中国海绵钛产量达到2800吨,然而由于当时大多数人对钛金属认识不足,钛材的高价格也限制了钛的应用,钛加工材的产量仅200吨左右,中国钛工业陷入困境。

  1982年:当时国务院副总理方毅同志倡导,朱镕基和袁宝华同志支持,于7月成立了跨部委的全国钛应用推广领导小组,专门协调钛工业的发展事宜,促成了20世纪80年代至90年代初期中国海绵钛和钛加工材产销两旺、钛工业快速平稳发展的良好局面。

  2011年:是中国“十二五”规划的第一年,在这一年里,中国海绵钛和钛加工材的产量继续惯性增长。根据中国有色金属工业协会钛分会统计,国内14家海绵钛生产企业2011年总产量为64952t,同比增加了12.4%。根据30家企业的统计,2011年中国共生产钛加工材50962t,同比增长33.0%。

  2014年9月:中国第一炉“电子级低氧超高纯钛”已在浙江省余姚市成功研发投产,一举打破了中国国外的垄断。低氧超高纯钛主要应用在半导体用溅射靶材、航空航天、海洋石油等核心工业领域,战略意义重大。作为高端战略性金属材料,美日政府严格限制对中国的出口。中国在超高纯钛领域经常要看美日的“脸色”。宁波创润新材料有限公司"年产250吨电子级低氧超高纯钛项目"的投产,填补了中国高端钛材的技术空白,意味着中国已具备低氧超高纯钛的自主生产能力,实现了这一战略金属的独立自给,彻底摆脱了对国外的依赖。垄断打破后,直接受益的就是航空航天领域。

  衡量一个国家钛工业规模有两个重要指标:海绵钛产量和钛材产量,其中海绵钛产量反映原料生产能力,钛材产量反映的是深加工能力。钛工业已形成中国、美国、独联体、日本和欧洲五大生产和消费主体。

  综上所述,中国钛工业大致经历了三个发展期:即20世纪50年代的开创期,60-70年代的建设期和80-90年代的初步发展期。在新世纪,得益于国民经济的持续、快速发展,中国钛工业也进入了一个快速成长期。

  四、钛的来源

钛矿

  钛属于稀有金属,实际上钛并不稀有,地球表面十公里厚的地层中,含钛达千分之六,比铜多61倍,在地壳中的含量排第十位(地壳中元素排行:氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁、氢、钛)。广布于地壳及岩石圈之中。钛亦同时存在于几乎所有生物、岩石、水体及土壤中。但由于钛的性质活泼,对冶炼工艺要求高,使得人们长期无法制得大量的钛,从而被归类为“稀有”的金属。

  钛在地球上主要分布在澳大利亚、中国、印度、南非和加拿大等国,已知的钛矿物约有140种,但工业应用的主要是钛的矿物有钛铁矿(FeTiO3)、金红石(TiO2)和钙钛矿等。矿石经处理得到易挥发的四氯化钛,再用镁还原而制得纯钛。

  中国钛资源总量9.65亿吨,居世界之首,占世界探明储量的38.85%,分布在21个省(自治区、直辖市)共108个矿区。主要产区为四川,其次有河北、海南、广东、湖北、广西、云南、陕西、山西等省(区),其中攀西(攀枝花西昌)地区是中国最大的钛资源基地,钛资源量为8.7亿吨。

  五、钛的用途

  钛合金

  钛金属日益被人们重视,被誉为“现代高科技金属”,是提高国防装备水平不可或缺的重要战略物资,由于钛具有熔点高、比重小、耐腐蚀、导热系数低、高低温度耐受性能好、在急冷急热条件下应力小等特点,其商业价值在二十世纪五十年代开始被人们认识,被应用于航空、航天、化工、石油、电力等高科技领域。

  军工应用

  钛在军事工业方面有着十分广阔的用途。核动力潜艇、水翼艇、军用舰艇的装甲板、螺旋桨的叶片、迫击炮身管、反坦克导弹、导弹发射器、坦克防护板、自动步枪、无后座力炮的发射管、防弹背心等大量用钛。据资料介绍,一艘台风级核潜艇,用钛量高达9000吨,由此可见军工对钛材的需求巨大。

  航天航空

  钛合金有好的耐热强度、低温韧性和断裂韧性,故多用作军用超音速飞机的结构材料、喷气发动机的压缩部件、飞机机架的构件、机壳、隔火墙、铆钉、空运装备的结构部件和火箭、导弹结构件。

  民用飞机用钛量约占构架重量的20~25%,钛合金制成飞机比其它金属制成同样重的飞机多载旅客100多人。

  某些钛合金(如Ti-5AI-2.5SnELI)的强度随温度的降低而提高,但塑性降低得不多,在低温下仍有较好的延展性及韧性,适宜在超低温下使用。可以用于液氢液氧火箭发动机、宇宙飞船、人造卫星天线、载人飞船上的超低温容器和贮箱等。

  海洋产业

  钛制成的潜艇,既能抗海水腐蚀(根据实验,钛放入海底20~50年均不会被腐蚀),又能抗深层压力,其下潜深度比不锈钢潜艇增加80%。同时,钛无磁性,不会被水雷发现,具有很好的反监护作用。

  此外钛还用于各种先进的钛制深潜器、海底实验室装置来进行海洋研究。以及用于沿海电站、海上采油设备、海水淡化、海洋化工生产、海水养殖业等都广泛采用钛制设备和装置。

  化工应用

  液态钛几乎能溶解所有的金属,因此可以和多种金属形成合金。钛加入钢中制得的钛钢坚韧而富有弹性。钛与金属Al、Sb、Be、Cr、Fe等生成填隙式化合物或金属间化合物。

  机械设备:钛及其合金可用于制造各种泵、阀门、过滤、蒸发设备的金属丝网和各种机器零件。

  化学反应器皿:钛耐腐蚀,所以在化学工业上常常要用到它。过去,化学反应器中装热硝酸的部件都用不锈钢。不锈钢也怕那强烈的腐蚀剂——热硝酸,每隔半年,这种部件就要统统换掉。用钛来制造这些部件,虽然成本比不锈钢部件贵一些,但是它可以连续不断地使用五年,计算起来反而合算得多。

  耐腐蚀设备:二十世纪70~80年代以后,我国真空制盐企业逐步开始采用钛金属材料制造设备,结果设备腐蚀情况大大改观。

  氧化剂的储箱以及高压容器:钛合金还可作氧化剂的储箱以及高压容器。

  钛镍形状记忆合金:在一定的温度条件下,能够恢复它原来形状的本领,在仪器仪表上已广泛应用。

  超导材料:Nb-Ti合金,当温度下降到接近绝对零度时,Nb-Ti合金制成的导线,会失去电阻,任意大的电流通过,导线都不会发热,没有能耗,Nb-Ti被称为超导材料。

  贮能材料:Ti-50%Fe(原子)合金,具有大量吸收氢气的本领。利用Ti-Fe的这一特征,可把氢安全的贮存起来,即贮存氢不一定使用钢制高压气瓶。在一定条件下还可以让Ti-Fe把氢放出来,Ti-Fe被称为贮能材料。

  餐具:钛制餐具,不会被腐蚀产生离子,食物还能保持原有风味,起到抑菌保鲜功能。

  石油精炼

  在石油精炼过程中,石油加工产品与冷却水中的硫化物、氯化物和其他腐蚀剂,对炼油装置特别是低温轻油部位的常减压塔顶冷凝设备的腐蚀性严重,设备腐蚀问题已经成为困扰炼油工业的突出问题之一。近年来美国、日本等国将钛制设备引入到这些高腐蚀的环节,主要作各种容器、反应器、热交换器、蒸馏塔、管道、泵和阀等,取得了很好的效果。

  汽车工业

  钛的轻质、高强度等性能早已被汽车制造商所关注,钛在赛车上的应用已有许多年的历史,目前赛车几乎都使用了钛材,日本汽车用钛已超过600吨,随着全球汽车工业的发展,汽车用钛还在快速增加。

  医学应用

  随着医疗技术的提高,在人体内植入金属是十分常见的外科手术,由于钛是一种“亲生物金属”,植入人体后不会引起过敏反应,与人体组织排异反应弱,能抵抗分泌物的腐蚀且无毒,加之它与骨骼密度相仿,因此被广泛用于人工骨骼、人工关节、人造牙等人体植入物,当新的肌肉纤维环包在这些“钛骨”上时,这些钛骨就开始维系着人体的正常活动。

人工关节

  此外,钛对任何杀菌方法都适应,在制药机械、医疗器械方面的应用也得到进一步的认识,未来需求不可低估。

  钛在人体中分布广泛,正常人体中的含量为每70kg体重不超过15mg,其作用尚不清楚。但钛能刺激吞噬细胞,使免疫力增强这一作用已被证实。

  体育和日用品

  钛在全球高尔夫球具制造领域的消耗数量巨大,每年用于钛高尔夫球具制造的钛材量高达6000多吨。此外,网球拍、羽毛球拍、滑雪杖、雪铲、登山冰杖、登山钉、雪撬、击剑防护面罩、钓鱼杆、自行车、眼镜架、食品器皿、手表、工艺品以及其它生活用品都广泛使用钛材。

钛合金餐具

  能源材料

  钛在电池材料、核工业、建筑材料、地热开发、电力、尤其探勘与开发等方面都有广泛应用。

  钛也可用作电极和发电站的冷凝器以及环境污染控制装置。

  钛化合物

“钛白”颜料

  二氧化钛(TiO2):纯净的二氧化钛是白色粉末,是优良的白色颜料,商品名称“钛白”。它兼有铅白(PbCO3)的遮盖性能和锌白(ZnO)的持久性能。因此,人们常把钛白加在油漆中,制成高级白色油漆。在造纸工业中作为填充剂加在纸桨中;纺织工业中作为人造纤维的消光剂;在玻璃、陶瓷、搪瓷工业上作为添加剂,改善其性能;在许多化学反应中用作催化剂。二氧化钛还是许多防晒霜和素颜霜的核心成分之一,主要是提亮肤色,它作为物理防晒剂,能有效反射紫外线,保护肌肤免受紫外线伤害。

  防晒霜

  四氯化钛(TiCl4):四氯化钛是一种无色液体;熔点250K、沸点409K,有刺激性气味。它在水中或潮湿的空气中都极易水解,冒出大量的白烟。因此TiCl4在军事上作为人造烟雾剂,犹其是用在海洋战争中。在农业上,人们用TiCl4形成的浓雾地面,减少夜间地面热量的散失,保护蔬菜和农作物不受严寒、霜冻的危害。

  偏钛酸钡(BaTiO3):人工制得的BaTiO3具有高的介电常数,由它制成的电容器有较大的容量,更重要的是BaTiO3具有显著的“压电性能”,其晶体受压会产生电流,一通电,又会改变形状。人们把它置于超声波中,它受压便产生电流,通过测量电流强弱可测出超声波强弱。几乎所有的超声波仪器中都要用到它。随着钛酸盐的开发利用,它愈来愈广泛地用来制造非线性元件、介质放大器、电子计算机记忆元件、微型电容器、电镀材料、航空材料、强磁、半导体材料、光学仪器、试剂等。

  TiCl3:是紫色晶体,其水溶液可用做还原剂。Ti3+比Sn3+有更强的还原性。

  碳化钛、氢化钛:是新型硬质合金材料。

  氮化钛:颜色近于黄金,在装饰方面应用广泛。

  其他应用

  除氧剂:粉末状钛可在电子管制造工艺中用作除氧剂。

  镀钛的首饰:具有独特的色彩和光泽,受到了众多设计师和消费者的喜爱。

  钛的自清洁能力:也引起了科学家们的关注。未来,涂有特殊钛材料的墙面可能会在雨天自动清洁,让我们的城市更加美丽。

  钛在各方面有着广泛的应用,包括航天、军事、工业程序、汽车、农产食品、医学、厨房用具、运动用品、珠宝及手机等等。

  六、钛的危害

  虽然钛本身对人体并没有危害,但钛的化合物如四氯化钛和氧化钛粉(钛白粉)对人体具有一定的危害,国际癌症研究机构已将氧化钛列为人类2B类致癌物质。

  研究发现,从事氧化钛生产的工人患肺癌的风险要高于其他人群。人类吸入氧化钛粉(特别是纳米级尺寸的粉末)后,纳米氧化钛粉可以损伤肺、肝、肾等组织器官,其中肺是纳米氧化钛攻击的主要目标,纳米氧化钛由于尺寸小、比表面积大等特性,可以迅速渗透进入靶细胞中,一定程度上刺激了细胞的氧化应激,并损伤细胞线粒体。然而目前关于氧化钛对肺细胞的攻击及致癌机制还并不清楚,而将氧化钛列为可能致癌物质,也得到了许多组织和机构的反对,因此关于氧化钛的毒性机制还需要进一步研究。

  结语

  从沙滩上的黑色矿石,到现如今诸多领域的应用,钛已成为人类科技进步和生活美好的象征,无疑为我们的生活带来了更多的便利和乐趣。虽然我们无法预知未来,但可以肯定的是,钛将继续以其坚实的力量和独特的魅力,为人类的未来发展贡献自己的力量。

  现在,当你再次提起钛这个名字时,你是否会想起它那如神话般的传奇历程,和它在我们生活中的无尽可能性,让我们一起期待它带给我们更多的惊喜和改变吧。

 
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