未来世纪的金属

第二节　未来世纪的金属——钛

元素钛是一种过渡金属，在过去很长一段时间内人们一直认为它是一种稀有金属。其实，钛在地壳中的含量占第10位，在金属中仅次于铝、铁、钙、钠、钾和镁，蕴藏很丰富。钛的矿物有70多种，提取钛的主要有金红石和钛铁矿。

人类最早使用的金属是铜。后来人们从“青铜时代”步入“铁器时代”，铁成为使用最广泛的金属。到19世纪末，电解炼铝技术的突破使铝的应用越来越广泛。今天，钛又引起了人们的普遍重视。

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。科学家预言：21世纪，金属钛将是冶金工业最重要产品之一。

一、钛的发现和性质

钛是1791年被英国人发现的。由于钛很容易和常见的金属形成合金，在发现后很多年内，许多人企图从它的化合物中将它分离出来，都未获成功，直到1910年，才由美国化学家亨特用置换的方法提炼出纯度高达99．9%的钛。

随着钛的应用逐渐广泛，科技生产上对钛的需求逐渐扩大，钛的年产量也越来越多，由1910年的0．2吨增加到1972年的20万吨。进入20世纪70年代以来，钛的年产量仍以15%的速度稳步上升。

钛的外观很像钢，具有银灰色光泽。钛的强度大，钛合金抗拉强度达180公斤／毫米3。钛的特性是密度小（4．51克／厘米3），硬度大，熔点高（1675℃）。高纯度钛具有良好的可塑性，但当有杂质存在时就会变得又脆又硬。

在室温时钛不与氧气、稀硫酸、稀盐酸和硝酸这些化学性质非常活泼的物质发生作用，但能被氢氟酸、磷酸、熔融碱侵蚀。钛最突出的性能是对海水的抗腐蚀性很强，有人将一块钛沉入海底，5年以后取出一看，上面粘附着许多小动物与海底植物，本身却一点也没有被锈蚀，上面仍然亮光闪闪。

二、钛及其化合物的应用

钛具有超众的性能和储藏量大的优势。在地壳中约占总重量的0．42%，在金属世界里排行第7；含钛的矿物多达70多种，在海水中含量也非常丰富。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。在电影的底片和正片制作中，需要使用多种强酸强碱等药物，它们对洗印设备腐蚀十分严重，洗印设备中的齿轮最多只能使用几个月，1980年西安电影制片厂试用钛材，结果设备运转一年多时间，齿轮丝毫没有腐蚀。

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。在骨头损坏的地方，用钛片与钛螺丝钉固定，过几个月，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，少量的钛是良好的脱氧、除氮及除硫剂。

二氧化钛是一种宝贵的白色颜料，叫钛白。钛白兼有铅白的延展性能和锌白的持久性能，它是世界上最白的物质之一，1克钛白可以把450多平方厘米的面积涂得雪白。特别可贵的是钛白无毒，现在每年用作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、陶土、耐高温的实验器皿等。

如何开发海水中的铀资源，一直是个大难题。海水中含有40万吨铀，但却找不到合适的铀吸附剂。从1956年起，人们才找到一种最有希望的铀吸附剂——水合二氧化钛。从此研制了一套以二氧化钛为基础的海洋提铀技术，每克吸附剂已达到吸附1毫克铀的水平。

四氧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，一释放出四氧化钛，浓烟就像一道白色的长城，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。这是因为它受压改变形状时，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。

在用黄金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”。

有机钛聚合物，可用作表面活性剂、分散剂、抗水剂或防锈剂。

三、钛合金的应用

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，而且可以潜入更深的深度，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。

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。

碳化钛外观很像碳化铁，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，它有着很高的应用价值。

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。

用钛合金制成的高压容器，能够耐受2500个大气压的高压。

现在，对钛的广泛使用的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。

目前，人类对钛的应用仅仅是一个良好的开端，金属钛的前程无量，所以钛被授予“21世纪金属”的称号。