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战略金属——钛
金属铁、镁、铝、铅、锌、铜等广泛应用,为人们熟悉。然而近年来,随着科学技术的飞速发展,上述金属已不能满足现代科学技术的需要。钛却闪烁着时代的光辉,成为金属中的新秀。钛及钛的化合物、合金究竟有哪些特性和用途呢?是人们应该了解的问题。
一. 钛的基本知识
钛(Titanium):元素符号Ti,原子序数22,原子量47.88,在元素周期表中位于第4周期ⅣB族。
1、 钛的存在
车友们应该都为钛合金车架的高踞不下的价格烦恼过吧,钛的价格为什么这么高呢?是不是因为钛这种金属非常稀有呢?答案是否定的。
钛在地壳中的丰度为0.63% ,居元素分布序列中的第十位,仅次于氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁、氢,比常见的锌、铅、镍、铜的总和还要多16倍,是铜的61倍,但大部分处于分散状态。随便从地下抓起一把泥土,其中都含有千分之几的钛,世界上储量超过一千万吨的钛矿并不希罕。海滩上有成亿吨的砂石,钛和锆这两种比砂石重的矿物,就混杂在砂石中,经过海水千百万年昼夜不停地淘洗,把比较重的钛铁矿和锆英砂矿冲在一起,在漫长的海岸边,形成了一片一片的钛矿层和锆矿层。这种矿层是一种黑色的砂子,通常有几厘米到几十厘米厚。主要的矿物有金红石(TiO2)和钛铁矿(FeTiO3)组成复杂的钒钛铁矿。
2、 钛资源状况
截至1995年底,世界金红石(包括锐钛矿)储量和储量基础分别为3330万吨和16440万吨,资源总量约2.3亿吨TiO2含量,下同),主要集中在南非、印度、斯里兰卡、澳大利亚。世界钛铁矿(TiO2)储量和储量基础分别为2.743亿吨和4.353亿吨,资源总量约10亿吨;主要集中在南非、挪威、澳大利亚、加拿大和印度。 截至1996年底我国保有原生钛(磁)铁矿(折TiO2)储量35704.09万顿(其中A+B+C级23191.50万t);钛铁矿(砂矿)矿物储量3803.19万顿(其中A+B+C级2147.17万吨);金红石矿物储量256.86万顿(其中A+B+C级73.73万吨);金红石TiO2储量750.86万顿(其中A+B+C级242.43万吨)。
若将我国1996年保有钛铁矿砂矿的A+B+C级矿物储量2147.17万顿按含TiO2 48%折算,则其TiO2储量为1030.64万吨,仅占同年世界钛铁矿(TiO2)27000万顿的3.83%;若再将其与原生钛磁铁矿岩矿(TiO2)的A+B+C级储量(23191.50万吨)中目前可利用的约占50%以粒状钛铁矿产出的(TiO2)储量11595.75万顿相加,其TiO2总储量为12626.4万吨,则占同年世界钛铁矿(TiO2)储量27000万吨的47.76%,从这个意义上说,我国可称为世界钛铁矿资源最丰富的国家。
若将我国1996年保有金红石矿物的A+B+C级储量73.73万顿按含TiO2 94%折算成TiO2储量为69.31万顿,再加上同年金红石(TiO2)的A+B+C级储量242.43万吨,合计为311.74万吨,则占同年世界金红石(TiO2)储量3330万t的9.36%,由此可见我国金红石资源并不丰富。
3、 钛及钛合金的特性、用途
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1725K,比黄金高近700K ,比钢高近500K。钛还有机械强度高(5)、耐低温(超低温下电阻率几乎为0)、耐磨蚀、线塑性良好(能薄壁化使用)、不易氧化、还原性强等特点。现在,在火箭和导弹中,就大量用钛代替钢。据统计, 目前世界上每年用于空间的钛,已达一千吨以上,极细的钛粉,还是火箭的好燃料,所以钛被誉为宇宙金属,空间金属。
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。有人曾把一块钛沉到海底,五年以后取上来一看,上面粘了许多小动物与海底植物,却一点也没有生锈,依旧亮闪闪的。化学工业上也常常要用到它。过去,化学反应器中装热硝酸的部件都用不锈钢。不锈钢也怕那强烈的腐蚀剂——热硝酸,每隔半年,这种部件就要统统换掉。现在,用钛来制造这些部件,虽然成本比不锈钢部件贵一些,但是它可以连续不断地使用五年,计算起来反而合算得多。人们还利用钛在高温下化合能力极强的特点,在炼钢的时候,氮很容易溶解在钢水里,当钢锭冷却的时候,钢锭中就形成气泡,影响钢的质量。所以炼钢工人往钢水里加进金属钛,使它与氮化合(钛与氮的结合能力较强),变成炉渣—氮化钛,浮在钢水表面(钛的密度比钢低),这样钢锭就比较纯净了。 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% 。这种潜艇可以在深达4500米的深海中航行。同时,钛无磁性,用钛建造的核潜艇不必担心磁性水雷的攻击。 航空工业中特别是战略航空工业中使用钛的主原因之一是其耐高温的特性。最著名的使用钛制造的飞机就是美国空军的SR-71黑鸟“双三”战略侦察机,黑鸟的升限可以达到30000米,最大平飞速度M3.2(3392千米/小时,高度24000米),巡航速度M3.0(3180千米/小时,高度21000米)(这就是所谓的双三飞机),飞机在这样高的速度下,飞机表面与空气产生摩擦,使空气发生阻滞与压缩。飞机的速度大为降低,动能转化为热能,飞机表面的温度急剧升高,这就是所谓的"热障"。根据理论估算,在高度超过11000米的高空飞行时,当飞机的马赫数为2的条件下,飞机头部的温度可能达到118摄氏度。当马赫数为2.5的时候, 温度可高达215摄氏度。当马赫数为3时,温度可达335摄氏度。飞机机翼的温度会更高。因此,高速飞行时,由于气动加热,机内人员,设备以及材料的强度等方面,都会受到严重的影响与限制。现在一般将马赫数2.5以上看做是出现热障的飞行速度。在高速飞行时,热障的表现是:制造飞机外壳的合金的结构强度和刚度都会降低,出现变形,破损甚至局部溶解。飞机油箱的油也将达到沸腾的程度,无法正常供油,而且随时存在着因温度过高而骤然燃烧爆炸的危险。因此如果使用铝的话,在高温下铝制机身很可能因为结构强度大幅度降低而解体。所以SR-71黑鸟使用钛制造,SR-71机体重量的93%为钛合金。但是由于其高昂的造价和复杂昂贵的维护,1990 年3月 6日,17972(最后一架退役的黑鸟编号)执行了她的最后一次飞行任务,这一次,她只用一小时零 4分20 秒就从洛杉矶飞到华盛顿,创造了横跨美国大陆飞行的最快纪录,平均时速 3,418km/h,飞机降落后,17972 就直接滑向博物馆的机库,就此全部黑鸟退出现役。但是,至1966年1月交付使用,40年来她仍然是航空工业的巅峰之作,至今多项航空记录仍由黑鸟保持。大家想象一下,1966年是个什么样的年代呢,中国的文化大革命如火如荼的开始了,而美国却已能制造出像SR-71这样尖端的飞机了,可能中国到现在也没有这样的能力,仅就钛合金的制造技术而言,中国可能比美国落后不止40年。这真的不能不让我感叹啊!(这一段有些跑题了,下面继续说钛!)
下图是美军的SR-71钛金属战略侦察机
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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。
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