金属钛介绍

金属钛介绍

钛是一种化学元素，化学符号Ti，原子序数22，是一种银白色的过渡金属，其特征为重量轻、强度高、具金属光泽，亦有良好的抗腐蚀能力(包括海水、王水及氯气）。由于其稳定的化学性质，良好的耐高温、耐低温、抗强酸、抗强碱，以及高强度、低密度，被美誉为“太空金属”^[2]。钛于1791年由格雷戈尔(William Gregor）于英国康沃尔郡发现，并由克拉普罗特(Martin Heinrich Klaproth）用希腊神话的泰坦为其命名。

钛被认为是一种稀有金属，这是由于在自然界中其存在分散并难于提取。但其相对丰度在所有元素中居第十位。^[3] 钛的矿石主要有钛铁矿及金红石，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^[4]。从主要矿石中萃取出钛需要用到克罗尔法^[5]或亨特法。钛最常见的化合物，二氧化钛可用于制造白色颜料^[6]。其他化合物还包括四氯化钛(TiCl₄)(作催化剂及用于制造烟幕或空中文字）及三氯化钛(TiCl₃)(用于催化聚丙烯的生产）^[4]。

钛能与铁、铝、钒或钼等其他元素熔成合金，造出高强度的轻合金，在各方面有着广泛的应用，包括航天(喷气发动机、导弹及航天器）、军事、工业程序(化工与石油制品、海水淡化及造纸）、汽车、农产食品、医学(义肢、骨科移植及牙科器械与填充物）、运动用品、珠宝及手机等等。^[4]。

钛最有用的两个特性是，抗腐蚀性，及金属中最高的强度－重量比^[7]。在非合金的状态下，钛的强度跟某些钢相若，但却还要轻45%^[8]。有两种同素异形体^[9]和五种天然的同位素，由⁴⁶Ti到⁵⁰Ti，其中丰度最高的是⁴⁸Ti(73.8%)^[10]。钛的化学性质及物理性质和锆相似，这是因为两者的价电子数目相同，并于元素周期表中同属一族。

化学性质

钛的特性中，最为人称道的就是它优良的抗腐蚀能力——它的抗蚀性几乎跟铂一样好，钛不受稀硫酸、稀盐酸、氯气、氯溶液及大部份有机酸的腐蚀^[5]，但仍可被浓酸溶解^[16]。虽然以下的电位-pH图指出钛在热力学上是一种活性很高的金属，但是它与水及空气的反应是非常缓慢的。

在纯水、高氯酸或氢氧化钠中的钛电位-pH图^[17]

钛在曝露在高温空气中时，会生成一层钝氧化物保护膜，阻止氧化持续^[4]。在最初形成时，保护层只有一至二纳米厚，但会缓慢地持续增厚;四年间可达25纳米厚^[18]。但当钛被置于高温空气中时，便很容易与氧产生反应^[4]。

这个反应在空气温度达1200摄氏度时便会发生，而在纯氧中最低只需610摄氏度，生成二氧化钛^[9]。因此不能在空气中熔掉钛，因为在到达熔点前钛会先燃烧起来，所以只能在惰性气体或真空中熔化钛。在550摄氏度时，钛会与氯气结合^[5]。钛亦会与其他卤素结合，并吸收氢气^[6]。

钛也是少数会在纯氮气中燃烧的元素，达800摄氏度就会燃烧起来，生成一氮化钛，导致脆化^[19]。

实验指出，天然钛在受到氘核轰击后会具有放射性，主要释放出正电子及硬性γ射线^[5]。

航天及航海

由于它的高抗拉强度－密度比^[9]、优良的抗腐蚀性^[5]、抗疲乏性、抗裂痕性^[54]及能够在没有蠕变的情况下抵受适度高温，钛合金被用于航空器、装甲敷板、海军舰只、航天器与导弹^[5][6]。在这些应用中，钛与铝、钒及其他元素所制成的合金，用于制造各种元件，包括关键的架构部件、防火墙、起落架、排气管(直升机）及液压系统。事实上，约三分二的钛金属生产量被用于制造航天器引擎及构架^[55]。SR-71“黑鸟”是最早在架构上广泛使用钛的机体，为现代军用及商用机体的钛应用铺好了路。据估计，生产波音777要用59吨钛，波音747要44吨，波音737要18吨，空中客车A340要32吨，空中客车A330要18吨，空中客车A320要12吨。空中客车A380可能要用146吨，其中引擎要26吨^[56]。在引擎应用上，钛被用于转子、压缩机叶片、液压系统元件及短舱。在航空应用的钛合金中，钛6AL-4V占几乎50%^[57]。