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钛是稀有金属吗?有什么性质和用途?
日期:2019-10-09 14:14   人气:

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  展开全部钛是一种过渡金属,在过去一段时间内人们一直认为它是一种稀有金属。从20世纪40年代以后,钛及其化合物被广泛应用于飞机、火箭、导弹、人造卫星、宇宙飞船、舰艇、军工、医疗以及石油化工等领域;因为钛具有熔点高、硬度大、可塑性强、密度小、耐腐蚀等优点;钛外观似钢,具有银灰光译。钛的强度大,钛合金抗拉强度达180kg/mm3。钛的特性是密度小(4.51g/cm3),硬度大,熔点高(1675℃),高纯度钛具有良好的可塑性,但当有杂质存在时变得脆而硬。在室温时钛不与氯气、稀硫酸、稀盐酸和硝酸作用,但能被氢氟酸、磷酸、熔融碱侵蚀。钛很容易溶解于H2SO4中,钛最突出的性能是对海水的抗腐蚀性很强.钛在地壳中约占总重量的0.42%,在金属世界里排行第七,含钛的矿物多达70多种.目前钛的用途发展很快,已被广泛应用于飞机、火箭、导弹、人造卫星、宇宙飞船、舰艇、军工、轻工、化工、纺织、医疗以及石油化工等领域。

  极细的钛粉,是火箭的好燃料;钛的抗腐蚀能力,比常用的不锈钢强15倍,使用寿命比不锈钢长10倍以上。钛在外科医疗手术上的应用,也非常引人入胜。目前,外科接骨是用不锈钢,使用不锈钢有一个缺点,就是接骨愈合之后,要把不锈钢片再取出来,这是件十分痛苦的事。不然,不锈钢会因生锈而对人体产生危害。如果改用钛制的“人造骨胳”将使骨科技术完全改观。在头损坏的地方,用钛片与钛螺丝钉,过了几个月,骨头就会重新生长在钛片的小孔与螺丝里,新的肌肉纤维就包在钛的薄片上,钛骨骼宛如真正的骨骼一样和血肉相联,起到支撑和加固作用,所以,钛被人们赞誉为“亲生物金属”。现在它已开始应用于膝关节、肩关节、肋关节、头盖骨、主动心瓣、骨骼固定夹等方面。

  在炼钢工业中,少量钛是良好的脱氧、除氮及除硫剂。 二氧比钛是一种宝贵的白色颜料,叫钛白。钛白兼有铅白的掩盖性能和锌白的持久性能,它是世界上最白的物质之一,而且钛白无毒。现在每年用做颜料的二氧化钛有几十万吨。

  由于二氧化钛具有高熔点的性质,常被用来制造耐火玻璃、釉料、珐琅、陶土、耐高温的实验器皿等。

  四氯化钛在湿空气中会冒出大量白烟。由于它具有这种特性,在军事上常用它作为人造烟雾剂。特别是在海洋上,水汽多,一放四氯化钛,浓烟就象一道白色的长城,挡住了敌人的视线。

  钛酸钡晶体被广泛应用于超声波仪器和水底探测器中。这是因为具有受压斩改变形状时,会产生电流;一旦通电又会改变形状。把钛酸钡放在超声波中,它受压便会产生电流,由它所产生的电流的大小可以测知超声波的强弱;相反,用高频电流通过它,则可以产生超声波。

  在用金色装饰工艺品和日用品中,由于它们的硬度低、容易刺破和磨损,不能耐久。当在这些物质的表面镀一层氮化钛时,外观几乎和黄金的镀层一模一样,而比黄金以及硬质合金更耐磨,这种镀层被誉为具有“永不磨损性”。

  目前人类使用的四个系列的贮氢金属中,钛系是其中一种,也是比较便宜的一种,但目前人类还没有找到更理想的“贮氢金属”,一旦这个问题解决了,人们就可以用氢做燃料。

  “钛飞机”可以减轻机体重量5吨,多载乘客100多名。在新型喷气发动机中,钛合金已占整个发动机重量的18~25%;在最新出现的超音速飞机上,钛的使用量几乎占到整个机体结构总重量的95%,所以,如果没有钛合金就很难发展目前的超音速飞机。

  用钛制造的潜艇,不仅比钢制潜艇经久耐用,而且可以潜入更大的深度,钛潜艇可以下潜到4500米以下,这是钢制潜艇无法逾越的界限。用钛制造军舰、轮船,不用涂漆,在海水中航行几年也不会生锈。由于钛不是铁磁体物质,不会被磁水雷发现,这点在军事上特别重要,如果没有钛炼成的耐热钢,目前使用的常规武器步枪和机枪的寿命也只能是最初的4.5秒。

  利用钛和锆对空气的强大吸收力,可以除去空气,造成真空。用钛锆合金制成的真空泵,可以把空气抽到只剩下十亿分之一。

  钛铌合金是理想的超导材料。清华大学利用光学干涉原理和离子氮化钛处理制成了画面清晰、层次分明的山川水墨画。

  在目前使用的最常见的两种不锈钢中,铬镍钛18-8-1型(含铬18%、镍8%、钛1%)是工业上最常用的。

  碳化钛(TiC)颇象碳化铁,具有金属光泽。可它比碳化铁具有更高的熔点和更高的硬度。所以,它有着实际应用价值。

  用钛制器皿保存的食物,色、香、味经久不衰;钛制炊具既轻巧,又不会生锈,最合科学卫生。

  钛和镍组成的合金,被成为“记忆合金”。这种合金制成预先确定的形状,再经定型处理后,若受外力变形,只要稍微加热便可恢复原来的面貌。这种合金目前已在不少领域得到应用。如美国阿波罗号飞船上用的天线,就是这种记忆合金;上海第一医学院附属第九人民医院已将这种记忆合金用于妇女绝育手术中;另外还可用于仪表、电子装置等领域。

  现在,对钛的广泛使用最大障碍是钛很难冶炼。因为钛的熔点很高,冶炼钛就要在更高的温度下进行,而在高温下钛的化学性质又变得很活泼,因此冶炼要在惰性气体保护下进行,还要不使用含氧材料,这就对冶炼设备、工艺提出了很高的要求。目前冶炼的钛70%左右用在制造飞机、导弹、宇宙飞船、人造卫星等方面。

  功能材料是以物理性能为主的工程材料,即在电、磁、声、光、热等方面具有的特殊性质,或在其作用下表现出特殊功能的材料。对钛和钛合金的研究已发现其有三种特殊功能有应用前途:

  钛-镍合金在一定环境温度下具有单向、双向和全方位的记忆效应,被公认是最佳记忆合金。在工程上做管接头用于战斗机的油压系统;石油联合企业的输油管路系统;直径0.5mm丝做成的直径500mm抛物网状天线用于宇航飞行器上;在医学工程上用于制作鼾症治疗;制成螺钉用于骨折愈合等。上述应用均获得了明显效果。

  钛-铁合金具有吸氢的特性,把大量的氢安全的贮存起来,在一定的环境中又把氢释放出来。这在氢气分离、氢气净化、氢气贮存及运输、制造以氢为能源的热泵和蓄电池等方面应用很有前途。

  纯钛是银白色的金属,它具有许多优良性能。钛的密度为4.54g/cm3,比钢轻43%

  ,比久负盛名的轻金属镁稍重一些。机械强度却与钢相差不多,比铝大两倍,比镁大五倍。钛耐高温,熔点1942K,比黄金高近1000K,比钢高近500K。

  钛属于化学性质比较活泼的金属。加热时能与O2、N2、H2、S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氧化物保护膜,可以抵抗强酸甚至王水的作用,表现出强的抗腐蚀性。因此,一般金属在酸、碱、盐的溶液中变得千疮百孔而钛却安然无恙。

  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。制成的潜艇,既能抗海水腐蚀,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。

  钛具有“亲生物“’性。在人体内,能抵抗分泌物的腐蚀且无毒,对任何杀菌方法都适应。因此被广泛用于制医疗器械,制人造髋关节、膝关节、肩关节、胁关节、头盖骨,主动心瓣、骨骼固定夹。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。

  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。

  金属钛的密度为4.51g/cm3,高于铝而低于钢、铜、镍,但比强度位于金属之首。

  钛是一种非常活泼的金属,其平衡电位很低,在介质中的热力学腐蚀倾向大。但实际上钛在许多介质中很稳定,如钛在氧化性、中性和弱还原性等介质中是耐腐蚀的。这是因为钛和氧有很大的亲和力,在空气中或含氧的介质中,钛表面生成一层致密的、附着力强、惰性大的氧化膜,保护了钛基体不被腐蚀。即使由于机械磨损也会很快自愈或重新再生。这表明了钛是具有强烈钝化倾向的金属。介质温度在315℃以下钛的氧化膜始终保持这一特性。

  为了提高钛的耐蚀性,研究出氧化、电镀、等离子喷涂、离子氮化、离子注入和激光处理等表面处理技术,对钛的氧化膜起到了增强保护性作用,获得了所希望的耐腐蚀效果。针对在硫酸、盐酸、甲胺溶液、高温湿氯气和高温氯化物等生产中对金属材料的需要

  ,开发出钛-钼、钛-钯、钛-钼-镍等一系列耐蚀钛合金。钛铸件使用了钛-32钼合金,对常发生缝隙腐蚀或点蚀的环境使用了钛-0.3钼-0.8镍合金或钛设备的局部使用了钛-0.2钯合金,均获得了很好的使用效果。

  钛合金TA7(Ti-5Al-2.5Sn),TC4(Ti-6Al-4V)和Ti-2.5Zr-1.5Mo等为代表的低温钛合金,其强度随温度的降低而提高,但塑性变化却不大。在-196-253℃低温下保持较好的延性及韧性,避免了金属冷脆性,是低温容器,贮箱等设备的理想材料。

  金属钛受到机械振动、电振动后,与钢、铜金属相比,其自身振动衰减时间最长。利用钛的这一性能可作音叉、医学上的超声粉碎机振动元件和高级音响扬声器的振动薄膜等。

  钛是无磁性金属,在很大的磁场中也不会被磁化,无毒且与人体组织及血液有好的相溶性,所以被医疗界采用。

  钛的这一性能说明了其屈强比(抗拉强度/屈服强度)高,表示了金属钛材料在成形时塑性变形差。由于钛的屈服极限与弹性模量的比值大,使钛成型时的回弹能力大。

  金属钛的导热系数虽然比碳钢和铜低,但由于钛优异的耐腐蚀性能,所以壁厚可以大大减薄,而且表面与蒸汽的换热方式为滴状冷凝,减少了热组,太表面不结垢也可减少热阻,使钛的换热性能显著提高。

 
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