系列图表说明钛金属之机遇与挑战

糯米糯米 8年前 (2016-05-26) 6400浏览

钛，元素周期表中第22号元素，地壳含量排名第九，金属元素中位列第四。另一方面，含钛矿物中，只有5%的量真正用于冶炼钛金属，其余95%之多往往用来制备TiO2。钛被誉为航天工业的理想金属，那么，是什么使它如此特殊呢？

1790年，一位牧师在英国康沃尔郡发现了钛，（当然那时还没有titanium这个名号，直到五年后由德国化学家正式命名为titanium）一百年以后，也就是1910年，美国化学家Matthew.A.Hunter成功从一种钛矿石中提取出金属钛。相比其他金属钛的特点非常明显：

轻质——钛的密度很低，只有钢的56%。

比强度大——是已知比强度最大金属。

注：ksi=千磅/平方英寸，表示单位面积上所能承受的压力。

柔韧性好——钛的弹性模量较低（14.9*106psi），钢的1/2。钛作为弹簧时不仅有卓越的恢复形变能力也有很强的韧性。

钛对腐蚀和侵蚀有着异常的抗性——在已有的研究中发现，钛自然形成的氧化膜保护了它不受碱性介质中氯和其他卤化物，气体，无机盐溶液，有机酸，氧化性无机酸和水的侵蚀。钛还可以防止微生物的腐蚀。在受到气流的侵蚀尤其是高速气流的侵蚀时这种保护显得尤为重要。

高导热——钛能有效地传导热量，具有高导热性。

膨胀系数低——在复合体系或者陶瓷、玻璃中，比其他金属更有优势。

当然钛也有一些劣势：活性较高，难以（代价高）浇铸或焊接。一旦焊接后，由于加热连接处会弱化，容易造成应力集中点，裂纹传播几率大大增加。工艺成本高，生产困难。

几种常见金属的常见性能对比

钛从何而来？

钛在自然界中有两种最常见的存在形式在：钛铁矿（FeTio2)和金红石（Tio），其主要来源是矿砂。所以不论最终以何种形式使用的钛都是经提炼而得，也就是说自然界中不存在钛单质。

钛铁矿主要分布在澳大利亚，加拿大，芬兰，南非和美国。主要用于生产钛炉渣。金红石也是在澳大利亚，南非，印度，斯里兰卡和塞拉利昂广泛分布。钛铁矿占据了全球90%的钛矿供应。但是为了使含钛量更高，钛铁矿总是先被加工成金红石和钛炉渣，然后再和天然金红石一起用于生产。

钛金属的提炼

生产金属钛的第一步通常是生产海绵钛，因为这种钛的质地和天然海绵很像。这一过程通常由氯化金红石来实现。先由金红石矿石，焦炭和氯制备出四氯化钛，然后四氯化钛在惰性气体中和镁反应生成氯化镁和海绵钛。（历史上“亨特过程”被用来生产海绵钛，但现在几乎所有的商业生产都使用“柯罗尔”过程）添加或者没有添加合金元素（包括铝，钼，钒，锡，鋯）的海绵钛都能熔融，并以不同的方式多次重熔。

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钛的用途

以美国为例，钛的最大消费市场是航空航天工业、商业和防务。据美国地质调查局（USGS）估计：2009年，76%的钛金属用于航空工业， 24%则被用于“装甲、化工、船舶、医疗、发电和体育用品。”事实上从1965开始，钛才开始逐渐应用到航空以外领域。此后的50多年，商业航空以及国防领域对钛的需求都急剧增加。当然除以上用途，钛另有多种民用价值，在此不过多提及，可参看维基百科。