元素

22 钛 探索太空的元素

钛元素是一种非常重要的金属元素,利用钛制作的合金具有非常高的强度,很好的耐热性和耐腐蚀性,是一种性能非常优异的合金材料。钛合金广泛用于航空航天工业,是航空发动机的关键部件所必须的材料,可以说它是一种探索太空的元素。同时,钛合金与具有独特的亲生物的特性,与人体组织有良好的生物相容性,是制作人造骨骼的重要材料,钛又是一种亲生物的金属元素。

钛的基本物理性质

分类 过渡金属
原子序号原子量 47.867
电子配置 3d24s2
密度 4540kg / m 3 
熔点 1660°C
沸点 3287°C
形状 银白色金属
丰度 0.00048ppm(海水) ,4ppm(太阳)
发现者 Reverend William Gregor,Martin Heinrich Klaproth,Matthew A. Hunter
主要的同位素 46 Ti, 47 Ti, 48 Ti, 49 Ti, 50 Ti
用途例 记忆合金,人造骨骼,航空航天所用合金材料,钛白粉
前后的元素 钪-钛-钒

钛的发现

1791年,英国矿物学家格雷格尔在康沃尔郡马纳坎教区中的一条小溪中发现了一些黑砂,这些沙子会被磁铁吸引,他认为这种矿物中含有一种新的元素。经过分析,他发现这种沙子中含有两种金属氧化物:氧化铁和一种不能辨识的白色金属氧化物,他认为白色的金属氧化物中含有一种新的元素。1795年德国化学家克拉普罗特在分析匈牙利产的红色金红石时也发现了这种氧化物。他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”。当他听闻到格雷戈尔较早前的发现之后,克拉普罗特取得了一些马纳坎矿物的样本,并证实它也含钛。

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,而金属钛能与氧、氮、氢、碳等元素直接激烈地化合,所以单质钛很难制取。直到1910年,美国化学家亨特才第一次用钠还原TiCl4制得纯度达99.9%的金属钛。1940年卢森堡科学家W.J.Kroll用还原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。美国在1948年用镁还原法制出2吨海绵钛,从此开始了钛的工业化生产 。

人造骨骼

钛是一种极耐腐蚀的金属,稳定性很高,它与人体骨骼接近,对人体组织具有良好的生物相容性、无毒副作用。它是唯一对人类植物神经和味觉没有任何影响的金属,所以钛又被人们称为“亲生物金属”。因此钛在医疗领域有着非常广泛的应用。钛以及钛合金常用来制作人造骨骼:在骨头损伤处,用钛片和钛螺丝钉固定好,过几个月,骨头就会长在钛片上和螺丝钉的螺纹里。新的肌肉就包在钛片上,这种“钛骨”就如真的骨头一样,甚至可以用钛制人造骨头来代替人骨治疗骨折。与其他制造人造骨骼的金属材料相比,钛的质量更轻,强度更高,而且韧性更好;最重要的是钛无毒的特性。外科植入物中的钛合金用量正以每年5%-7%的速度增长。采用钛及钛合金制造的股骨头、髋关节、肱骨等上百种金属件移植到人体中,取得了良好的效果,被医学界给予了很高的评价。

利用钛和钛合金制作的人造骨骼

记忆合金

上个世纪70年代,有一种具有“记忆”形状功能的合金出现了。用这种合金做成弹簧,将其在盛着凉水的玻璃缸里,拉长它,再把它放入热水中,弹簧又自动的收拢了,再放回凉水中,弹簧恢复了它的原状。在热水中,弹簧会收缩,而在冷水中,弹簧又会伸长,弹簧可以无限次数的被拉伸和收缩。这是为什么呢?记忆合金的微观结构有两种相对稳定的状态,在较低的温度下合金可以被拉伸,但若对它重新加热,它会记起它原来的形状,而变回去。钛镍合金就是一种典型的记忆合金,在40℃以上和40℃以下的晶体结构是不同的,但温度在40℃上下变化时,合金就会收缩或膨胀,使得它的形态发生变化。这里,40℃就是镍-钛记忆合金的“变态温度”。各种合金都有自己的变态温度。根据这一特性,钛镍合金可以制成牙齿矫正时所用的弓丝,极大的减轻患者的痛苦。

钛镍合金及用其制作的弹簧和弓丝

用途广泛的钛合金

钛合金具有密度低、比强度高、耐蚀性好、导热率低、无毒无磁、可焊接、生物相容性好、表面可装饰性强等特性,广泛应用于航空、航天、化工、石油、电力、医疗、建筑、体育用品等领域。世界上许多国家都已经认识到钛合金材料的重要性,相继对其进行研究开发,并得到了实际应用。

航空航天领域是钛合金材料应用最为广泛的领域,钛合金的高强度使其广泛应用于飞机发动机的部件。钛合金的轻质性还使得它能够减轻结构重量,提高结构效率。除此之外,钛合金还具有良好的耐热性,如常用的Ti-6Al-4V能在350℃下长期工作,因此在飞机的高温部位(如后机身等)可取代因高温使用性能不能满足要求的铝合金;TC11能在500℃下长期工作,在发动机的压气机部位可取代高温合金和不锈钢。另外钛合金还具有较高的疲劳寿命和优良的耐腐蚀性能,可以提高结构的抗腐蚀能力和寿命,满足先进飞机、发动机高可靠性和长寿命的要求。这些优势使得钛合金在航空航天领域有着广阔的应用前景。

钛合金除了用于航空领域,也用于制造一些高端汽车和其他的金属制品,它极为苛刻的冶炼条件使得钛的价格居高不下,限制了它的应用。

钛白粉

钛白粉的主要成分是二氧化钛(TiO2),是一种十分稳定的氧化物,它具有优良的光学和颜料性能,主要用作白色无机颜料。由于它具有无毒、不透明、白度和光亮度良好等特性,因此被认为是目前世界上性能最好的一种白色颜料,广泛应用于涂料、塑料、造纸、印刷油墨、化纤、橡胶、化妆品等工业领域。二氧化钛有三种晶体形态,分别为金红石型、锐钛型和板钛型。其中板钛型不能用作颜料使用,在工业中作为颜料使用的主要是锐钛型和金红石型钛白粉。锐钛型钛白粉具有纯度高、粒子细小均匀、光学性能好、折射力强、消色力高、遮盖力强,且吸油量低、水分散性高等优点,主要用于涂料、油墨、化纤、橡胶、玻璃、化妆品、肥皂、塑料和造纸等工业。金红石型钛白粉除具有锐钛型钛白粉的优点外,还具有更好的耐候性和遮盖力,主要用于高级工业颜料、有光乳胶涂料、塑料,有较高消色力和耐晒要求的橡胶材料、高级纸张涂料层和蜡纸等。从颜料性能看,金红石型钛白粉优于锐钛型钛白粉,金红石型钛白粉中又以经表面包覆处理的产品居多。

参考文献

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Peng Li

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