金属钛的性能、发展与应用

党宏

摘 要：金属钛是一种分布广泛的金属，在自然界的金属储备中排列第七位，主要以钛合金的形式存在，在航天、医学、汽车制造等诸多领域都有重要应用。随着钛工业的不断发展，金属钛在各个领域发挥出了越来越重要的作用，成为21世纪最有价值的金属之一。本文将对金属钛的理化性能、钛工业的发展状况以及金属钛、钛合金的具体应用进行分析。

关键词：金属钛；性能；发展；应用

前言：金属钛是自铁、铝之后的第三大金属，在各行各业中有着广泛应用，为推动人类社会文明进步作出了巨大贡献。随着钛金属时代的来临，金属钛的使用逐渐成为衡量一个国家经济、技术、军事实力的重要标准之一。因此，对金属钛的性能及发展状况进行研究十分必要，在此基础上探讨金属钛和钛合金的具体应用，提高钛金属的利用率和利用水平，为推动我国航天、医学等领域的发展注入新的活力。

一、金属钛的性能分析

（一）物理性能

钛金属在自然界中主要以TeTiO3、TiO2等形式存在，运站地壳质量的0.42%，分布较为广泛，目前已发现的含钛矿物高达70余种。而且海水中也含有金属钛，相关测量结果表明，在海底中含有大量的金属钛。金属钛的外观与钢类似，银白色具有光泽，密度约为钢的57%左右，但强度与钢十分接近，同时具备质轻和高强度两方面优点。纯度越高的金属钛可塑性越好，但是当其杂质含量较高时，就会变得硬而且脆[1]。

（二）化学性质

金属钛属于活剥金属，在常温下易溶解于HCL、H2SO4中，容易被磷酸、氢氟酸和熔融碱侵蚀，但不与氯气和硝酸等发生作用。金属钛的平衡电位较低，具有较大的热力学腐蚀倾向，但在多数介质中稳定性较强，具有一定的耐腐蚀性。金属钛在含氧介质中会在表面生成一层惰性氧化膜，对其本体进行保护。该氧化膜在315℃条件下都能够保持自身特性，从而能对金属钛进行有效保护[2]。

二、钛工业的发展状况

相比于铁铝等金属，钛被发现和利用的时间较晚，人们在18世纪末才发现这一金属。而且当时被人们找到的是二氧化钛，而不是纯粹的金属钛。直到20世界初，人们才掌握使用TiCl4与Na制备高纯度金属钛的方法。到1940年时，Krall用镁还原TiCl4成功支取海绵钛，并通过氩气电弧熔炼，获得金属纯钛，奠定了钛工业的基础。该技术最初被转让给美国，由美国率先实现钛金属的工业化生产。随着海绵钛工业的快速发展，其年产量不断提高，到1990年时，世界年产量已经达到13万吨，并以每年5%的速度持续增长。但由于金属钛的冶炼难度较大，目前具备金属钛生产能力的国家仍占少数。其中，美国是金属钛工业生产的发源地，金属钛的产量最高，多数金属钛及其合金材料被应用于航空领域。日本的金属钛材料则被应用于制造耐腐蚀材料，被广泛应用于飞机、船舶、汽车制造等领域。随着各国军备的缩减，金属钛在军备领域的应用逐渐减少，在民用领域的应用不断增加，日本的钛工业发展受到世界各国的广泛关注。

三、金属钛及钛合金的具体应用

（一）在航天领域中的应用

金属钛及其合金具有良好的理化特性，在航天、医疗、石油化工等各个领域都有重要应用，还被用于制造核反应堆的零部件。在不锈钢中加入1%的金属钛，可以极大提升不锈钢的抗锈能力。在航空航天领域中，金属钛以及钛合金被用于制造航天飞机、人造卫星、火箭等的原材料。细钛粉还可以被用于充当火箭燃料，具有良好的燃烧特性。金属钛被应用于航天领域与其耐用性有密切关系，其抗腐蚀能力是一般不锈钢的15倍以上，使用寿命可达到普通不锈钢的10倍左右。由于钛金属的这种特性，也被广泛应用于电影制片厂的洗印设备制造中，可以有效抵御各种强酸强碱类洗印药物。另一方面，钛合金可以在550℃以上的高温下保持较好的机械性能，因此被广泛应用于制造飞机喷气发动机和机体等部件。由于超音速飞机在飞行时表面温度过高，使用一般金属材料难以保持机械性能，因此钛合金成为其主要制造材料，超音速飞机又被称为钛飞机。

（二）在医学领域中的应用

金属钛在医学领域的应用非常广泛，比如人造心脏、人造骨骼、人造关节和钛义齿等。钛在医学中的应用起始于20世纪60年代时瑞典生理学家的一次实验，瑞典生理学家布瑞马克在实验时将一直含钛金属管留在兔子体内，之后发现含钛金属管与兔子骨骼牢固结合。经过后续实验研究证明，金属钛与生物机体有良好的相容性，可以与骨骼紧密结合。2001年时，第一颗使用金属钛制造的人在心脏成功起跳，利用锂电池提供动力，由计算机控制系统调节泵血量，在动物身上的实验已经取得成功，为需要更换心脏的患者带来了新的希望。金属钛在种植义齿方面表现出色，可以与骨组织良好结合，而且具有较好的延展性和抗腐蚀性，被誉为第三副牙齿。在以往的外科接骨中，主要使用不锈钢金属，但在治愈后，需要将钢片拆除，否则会因不锈钢生锈对人体产生危害。使用钛金属代替不锈钢可以使患者免受这一痛苦，新长出的骨头和肌肉纤维会将钛片包裹起来，使其成为血肉的一部分，在人體内发挥骨骼的支撑作用，而且不用担心钛片会被腐蚀。钛金属是一种优越的生物材料，在关节、骨骼的固定夹方面都有重要应用。金属钛的强度和韧性都非常接近生物骨骼的需求，但由于其缺乏生物活性，因此还不能成为骨骼的代替品，在一定程度上限制了钛金属在医学中的应用。

（三）在汽车制造业的应用

钛金属和钛合金在汽车制造业也有重要应用，日本松下公司研制的镁钛合金的储氢能力远超镧系合金，被应用于汽车储氢罐制造。钛被汽车制造行业所关注的主要原因还是其质轻、强度高等特点，使用钛材料制作汽车零部件，可以有效降低车身重量，在赛车制造商有非常广泛的应用。目前只有钛金属制造的汽车材料主要有进气阀和排气阀、连杆、曲轴、发动机部件，以及压力板等零部件。使用钛合金制造的离合器外壳，还可以有效防止飞轮冲击破坏。

（四）在其他领域中的应用

钛金属和钛合金在生活中也有广泛应用，目前使用较多的有高尔夫球杆、网球拍外框、自行车框架结构等。钛金属经过电镀、加热后可以呈现出多种颜色，而且自身坚固耐腐蚀，也被广泛应用于珠宝设计领域。钛金属在笔记本制造中的应用可以为笔记本电脑提供有效保护，避免无线环境对笔记本电脑部件产生损坏。由于钛金属的优秀性能，在建材、眼睛、钟表制造等领域也得到广泛应用。日本还研制出钛合金染色技术，简化了传统染色工艺，可以获得较好的染色效果。其中，二氧化钛是一种良好的白色颜料，已经被作为高级油漆的原料。使用二氧化钛作为白色油漆原料，不仅染色效果优异，而且无毒害，在颜料制作中得到广泛应用。此外二氧化钛还被作为玻璃、陶瓷等制作的添加剂，可以改善其性能。总体来说，金属钛的应用具有十分广阔的发展前景。

结束语：综上所述，金属钛是一种在自然界中广泛分布并具有巨大应用价值的优质金属，随着钛工业和冶炼技术的快速发展，钛金属的应用价值逐渐被挖掘出来，成为推动航天、医学等领域发展的重要动力。因此，应加大力度对金属钛和钛合金的研究与应用，充分发挥钛金属的作用，提高相关领域的技术水平。本文主要分析了钛金属的性质、发展和在各行各业的应用，希望能促进钛金属利用水平的提升。

参考文献：

[1]崔婉，赵迪，张旭. 有色金属钛在高分子材料制备中的应用[J]. 世界有色金属，2016，（17）：111+113.

[2]董琛琛. 钛的羟基羧酸配合物的合成与应用研究[D].华中师范大学，2009.