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一文看懂高科技金屬鈦的特性、來源、用途及發展
一、鈦的特性
鈦（Titanium）是一種過渡金屬元素，化學符號Ti，原子序數22，在化學元素周期表中位于第4周期、第IVB族。已知的鈦的同位素有13種，包括鈦-41至鈦-53。其中鈦的穩定同位素有鈦-46，鈦-47，鈦-48，鈦-49，鈦-50共五種，其余的同位素均有放射性。
化學特性：
鈦屬于化學性質比較活潑的金屬。加熱時能與氧氣、氮氣、氫氣、硫和鹵素等非金屬作用。但在常溫下，鈦表面易生成一層極薄的、致密的、鈍性的、能自行修補裂縫的氧化物薄膜，而具有優良的抗腐蝕性，不受硝酸，潮濕氯氣，稀硫酸，稀鹽酸及稀堿的侵蝕，連酸中之王——王水（濃鹽酸和濃硝酸按體積比為3:1組成的混合物）都無法將其溶解。鈦的保護性氧化膜經常是當金屬碰到水時形成的，即使少量的水或水蒸氣中也能形成。如果把鈦暴露于完全沒有水的強氧化性環境里，就會發生快速氧化并產生劇烈反應，甚至常出現自燃。鈦與含過量氧化氮的發煙硝酸以及鈦與干氯氣的反應就發生過這類現象。所以要預防發生這類反應，必須有一定量的水分。鈦不能應用于干氯氣中，即使是溫度0℃以下的干氯氣，也會發生劇烈的化學反應，生成四氯化鈦，再分解生成二氯化鈦，甚至燃燒。只有當氯氣中的含水量高于0.5%的時候，鈦在其中才能保持可靠的穩定性。
為安全起見，儲存時以不少于25%的水潤濕、鈍化。儲存于陰涼、通風的庫房。遠離火種、熱源。庫溫不超過35℃，保持容器密封，嚴禁與空氣接觸。應與氧化劑、酸類、鹵素等分開存放，切忌混儲。配備相應品種和數量的消防器材。儲區應備有合適的材料收容泄漏物。
物理特性：
單質鈦呈銀白色，具金屬光澤。粉末鈦呈灰色。鈦的熔點高（1660℃），沸點為3287℃，密度小（密度為4.5g/cm3，比鋼輕43%）、延展性好，在硬度、耐熱性及導電導熱性方面，與其他過渡金屬（如鐵、鎳）相似，但是它比其他具有相似的機械和耐熱性能的金屬輕得多；聲音在其中的傳播速率為5090m/s。鈦溶于稀酸，不溶于冷水和熱水。液態鈦幾乎能溶解所有的金屬，因此可以和多種金屬形成合金。鈦加入鋼中制得的鈦鋼堅韌而富有彈性。鈦與金屬Al、Sb、Be、Cr、Fe等生成填隙式化合物或金屬間化合物。鈦金屬在500℃的高溫下/-253℃低溫下長期使用也可以保持其金屬特性，通常鋁在150℃，不銹鋼在310℃即失去了原有性能，而鈦合金在500~600℃左右仍保持良好的力學性能。而且鈦金屬在-253℃低溫下依舊能保持較好的延展性和韌性。鈦無磁性。鈦的熱導率小，僅為鋼的1/5，鋁的1/13，銅的1/25。抗阻尼性能低，用鈦及其他金屬材料（銅，鋼）制成形狀和大小完全一樣的鐘，用同等的力把每個鐘敲一下就會發現，用鈦做的鐘振蕩起來聲音持續的時間長，即通過敲擊給予鐘的能量不容易消失，所以我們說鈦的阻尼性能低。
二、鈦的發現
1791年：英國的業余礦物學家格雷戈爾（Reverend William Gregor，1762—1817）在康沃爾郡的馬納坎小溪旁找到了一些黑沙，后來他發現了那些沙會被磁鐵吸引，他意識到這種礦物（鈦鐵礦）包含著一種新的元素。經過分析，發現沙里面有兩種金屬氧化物：氧化鐵（沙受磁鐵吸引的原因）及一種他無法辨識的白色金屬氧化物。他很快意識到這種未被辨識的氧化物含有一種未被發現的金屬，而這正是鈦元素的雛形。格雷戈爾對康沃爾郡皇家地質學會及德國的《化學年刊》發表了這次的發現。大約就在同時，米勒·馮·賴興斯泰因（Franz-Joseph Müller von Reichenstein）也制造出類似的物質，但卻無法辨識它。
1795年：德國化學家克拉普羅特（Martin Heinrich Klaproth，1743—1817）在研究匈牙利產的金紅石時也發現了該種氧化物，他主張采取為鈾（1789年由克拉普羅特發現的）命名的方法，引用希臘神話中泰坦神族“Titanic”的名字給這種新元素起名叫“Titanium”，中文音譯為“鈦”。當他知道格雷戈爾之前的發現后，也取得了一些馬納坎礦物的樣本，并證實它含鈦。化學大家克拉普羅特并沒有跟格雷戈爾爭奪鈦元素發現者的名頭，所以科學界普遍認同是格雷戈爾發現了鈦元素。
1910年：格雷戈爾和克拉普羅特當時所發現的鈦是粉末狀的二氧化鈦，而不是金屬鈦。因為鈦的氧化物極其穩定，而且金屬鈦能與氧、氮、氫、碳等直接激烈地化合，所以單質鈦很難制取。直到1910年美國化學家亨特（Matthew A.Hunter）用鈉還原TiCl4制得純度達99.9%的金屬鈦。
三、鈦的發展
全球發展歷程
1940年：盧森堡科學家W.J.Kroll用鎂還原TiCl4制得了純鈦。從此，鎂還原法（又稱為克勞爾法）和鈉還原法（又稱為亨特法）成為生產海綿鈦的工業方法。
1948年：美國在用鎂還原法制出2噸海綿鈦，從此開始了鈦的工業化生產。
1955年：產量激增到2萬噸。
1972年：年產量達到了20萬噸。
據統計，世界上每年用于宇宙航行的鈦，已達一千噸以上。極細的鈦粉，還是火箭的好燃料，所以鈦被譽為宇宙金屬，空間金屬。
中國鈦發展歷程
1954年：北京有色金屬研究總院開始進行海綿鈦制備工藝研究。
1956年：中國把鈦當作戰略金屬列入了12年發展規劃。
1958年：在撫順鋁廠實現了海綿鈦工業試驗，成立了中國第一個海綿鈦生產車間，同時在沈陽有色金屬加工廠成立了中國第一個鈦板帶加工材生產試驗車間。寶雞鈦材加工裝備、技術水平及生產能力均居全國第一，生產能力占全中國的60%左右，市場份額占中國國內鈦加工材市場85%，占世界產量的22%，承擔著中國90%以上高端鈦材產品的生產任務，號稱中國鈦谷。
20世紀60-70年代：在中國的統一規劃下，先后建設了以遵義鈦廠為代表的10余家海綿鈦生產單位。
1967年：在洛陽銅加工廠成立了中國第一個鈦管棒加工材生產試驗車間和第二條鈦板帶材生產試驗車間，并為主承擔了當時國內第一艘核潛艇、第一艘導彈驅逐艦及航空用鈦材的試制開發任務。
1972年：寶雞有色金屬加工廠建成投產后，洛陽銅加工將工藝資料移交北京有色研究總院，按照冶金部的專業劃分，不再承擔鈦材料的開發試制工作；以北京有色研究總院、沈陽鋁鎂院、撫順鋁廠、沈陽有色金屬加工廠、東北輕合金加工廠、洛陽銅加工廠等單位為主，援建了寶雞有色金屬加工廠和寶雞貴金屬所，從此按照行業劃分，以寶雞有色金屬加工廠和寶雞貴金屬所為主，承擔了國內大部分鈦加工材料的生產開發試制工作。同時中國也成為繼美國、前蘇聯和日本之后的第四個具有完整鈦工業體系的國家。
1980年前后：中國海綿鈦產量達到2800噸，然而由于當時大多數人對鈦金屬認識不足，鈦材的高價格也限制了鈦的應用，鈦加工材的產量僅200噸左右，中國鈦工業陷入困境。
1982年：當時國務院副總理方毅同志倡導，朱镕基和袁寶華同志支持，于7月成立了跨部委的全國鈦應用推廣領導小組，專門協調鈦工業的發展事宜，促成了20世紀80年代至90年代初期中國海綿鈦和鈦加工材產銷兩旺、鈦工業快速平穩發展的良好局面。
2011年：是中國“十二五”規劃的第一年，在這一年里，中國海綿鈦和鈦加工材的產量繼續慣性增長。根據中國有色金屬工業協會鈦鋯鉿分會統計，國內14家海綿鈦生產企業2011年總產量為64952t，同比增加了12.4%。根據30家企業的統計，2011年中國共生產鈦加工材50962t，同比增長33.0%。
2014年9月：中國第一爐“電子級低氧超高純鈦”已在浙江省余姚市成功研發投產，一舉打破了中國國外的壟斷。低氧超高純鈦主要應用在半導體用濺射靶材、航空航天、海洋石油等核心工業領域，戰略意義重大。作為高端戰略性金屬材料，美日政府嚴格限制對中國的出口。中國在超高純鈦領域經常要看美日的“臉色”。寧波創潤新材料有限公司"年產250噸電子級低氧超高純鈦項目"的投產，填補了中國高端鈦材的技術空白，意味著中國已具備低氧超高純鈦的自主生產能力，實現了這一戰略金屬的獨立自給，徹底擺脫了對國外的依賴。壟斷打破后，直接受益的就是航空航天領域。
衡量一個國家鈦工業規模有兩個重要指標：海綿鈦產量和鈦材產量，其中海綿鈦產量反映原料生產能力，鈦材產量反映的是深加工能力。鈦工業已形成中國、美國、獨聯體、日本和歐洲五大生產和消費主體。
綜上所述，中國鈦工業大致經歷了三個發展期：即20世紀50年代的開創期，60-70年代的建設期和80-90年代的初步發展期。在新世紀，得益于國民經濟的持續、快速發展，中國鈦工業也進入了一個快速成長期。
四、鈦的來源
鈦礦
鈦屬于稀有金屬，實際上鈦并不稀有，地球表面十公里厚的地層中，含鈦達千分之六，比銅多61倍，在地殼中的含量排第十位（地殼中元素排行：氧、硅、鋁、鐵、鈣、鈉、鉀、鎂、氫、鈦）。廣布于地殼及巖石圈之中。鈦亦同時存在于幾乎所有生物、巖石、水體及土壤中。但由于鈦的性質活潑，對冶煉工藝要求高，使得人們長期無法制得大量的鈦，從而被歸類為“稀有”的金屬。
鈦在地球上主要分布在澳大利亞、中國、印度、南非和加拿大等國，已知的鈦礦物約有140種，但工業應用的主要是鈦的礦物有鈦鐵礦（FeTiO3）、金紅石（TiO2）和鈣鈦礦等。礦石經處理得到易揮發的四氯化鈦，再用鎂還原而制得純鈦。
中國鈦資源總量9.65億噸，居世界之首，占世界探明儲量的38.85%，分布在21個省（自治區、直轄市）共108個礦區。主要產區為四川，其次有河北、海南、廣東、湖北、廣西、云南、陜西、山西等省（區），其中攀西（攀枝花西昌）地區是中國最大的鈦資源基地，鈦資源量為8.7億噸。
五、鈦的用途
鈦合金
鈦金屬日益被人們重視，被譽為“現代高科技金屬”，是提高國防裝備水平不可或缺的重要戰略物資，由于鈦具有熔點高、比重小、耐腐蝕、導熱系數低、高低溫度耐受性能好、在急冷急熱條件下應力小等特點，其商業價值在二十世紀五十年代開始被人們認識，被應用于航空、航天、化工、石油、電力等高科技領域。
軍工應用
鈦在軍事工業方面有著十分廣闊的用途。核動力潛艇、水翼艇、軍用艦艇的裝甲板、螺旋槳的葉片、迫擊炮身管、反坦克導彈、導彈發射器、坦克防護板、自動步槍、無后座力炮的發射管、防彈背心等大量用鈦。據資料介紹，一艘臺風級核潛艇，用鈦量高達9000噸，由此可見軍工對鈦材的需求巨大。
航天航空
鈦合金有好的耐熱強度、低溫韌性和斷裂韌性，故多用作軍用超音速飛機的結構材料、噴氣發動機的壓縮部件、飛機機架的構件、機殼、隔火墻、鉚釘、空運裝備的結構部件和火箭、導彈結構件。
民用飛機用鈦量約占構架重量的20～25%，鈦合金制成飛機比其它金屬制成同樣重的飛機多載旅客100多人。
某些鈦合金（如Ti-5AI-2.5SnELI）的強度隨溫度的降低而提高，但塑性降低得不多，在低溫下仍有較好的延展性及韌性，適宜在超低溫下使用。可以用于液氫液氧火箭發動機、宇宙飛船、人造衛星天線、載人飛船上的超低溫容器和貯箱等。
海洋產業
鈦制成的潛艇，既能抗海水腐蝕（根據實驗，鈦放入海底20~50年均不會被腐蝕），又能抗深層壓力，其下潛深度比不銹鋼潛艇增加80%。同時，鈦無磁性，不會被水雷發現，具有很好的反監護作用。
此外鈦還用于各種先進的鈦制深潛器、海底實驗室裝置來進行海洋研究。以及用于沿海電站、海上采油設備、海水淡化、海洋化工生產、海水養殖業等都廣泛采用鈦制設備和裝置。
化工應用
液態鈦幾乎能溶解所有的金屬，因此可以和多種金屬形成合金。鈦加入鋼中制得的鈦鋼堅韌而富有彈性。鈦與金屬Al、Sb、Be、Cr、Fe等生成填隙式化合物或金屬間化合物。
機械設備：鈦及其合金可用于制造各種泵、閥門、過濾、蒸發設備的金屬絲網和各種機器零件。
化學反應器皿：鈦耐腐蝕，所以在化學工業上常常要用到它。過去，化學反應器中裝熱硝酸的部件都用不銹鋼。不銹鋼也怕那強烈的腐蝕劑——熱硝酸，每隔半年，這種部件就要統統換掉。用鈦來制造這些部件，雖然成本比不銹鋼部件貴一些，但是它可以連續不斷地使用五年，計算起來反而合算得多。
耐腐蝕設備：二十世紀70～80年代以后，我國真空制鹽企業逐步開始采用鈦金屬材料制造設備，結果設備腐蝕情況大大改觀。
氧化劑的儲箱以及高壓容器：鈦合金還可作氧化劑的儲箱以及高壓容器。
鈦鎳形狀記憶合金：在一定的溫度條件下，能夠恢復它原來形狀的本領，在儀器儀表上已廣泛應用。
超導材料：Nb-Ti合金，當溫度下降到接近絕對零度時，Nb-Ti合金制成的導線，會失去電阻，任意大的電流通過，導線都不會發熱，沒有能耗，Nb-Ti被稱為超導材料。
貯能材料：Ti-50%Fe（原子）合金，具有大量吸收氫氣的本領。利用Ti-Fe的這一特征，可把氫安全的貯存起來，即貯存氫不一定使用鋼制高壓氣瓶。在一定條件下還可以讓Ti-Fe把氫放出來，Ti-Fe被稱為貯能材料。
餐具：鈦制餐具，不會被腐蝕產生離子，食物還能保持原有風味，起到抑菌保鮮功能。
石油精煉
在石油精煉過程中，石油加工產品與冷卻水中的硫化物、氯化物和其他腐蝕劑，對煉油裝置特別是低溫輕油部位的常減壓塔頂冷凝設備的腐蝕性嚴重，設備腐蝕問題已經成為困擾煉油工業的突出問題之一。近年來美國、日本等國將鈦制設備引入到這些高腐蝕的環節，主要作各種容器、反應器、熱交換器、蒸餾塔、管道、泵和閥等，取得了很好的效果。
汽車工業
鈦的輕質、高強度等性能早已被汽車制造商所關注，鈦在賽車上的應用已有許多年的歷史，目前賽車幾乎都使用了鈦材，日本汽車用鈦已超過600噸，隨著全球汽車工業的發展，汽車用鈦還在快速增加。
醫學應用
隨著醫療技術的提高，在人體內植入金屬是十分常見的外科手術，由于鈦是一種“親生物金屬”，植入人體后不會引起過敏反應，與人體組織排異反應弱，能抵抗分泌物的腐蝕且無毒，加之它與骨骼密度相仿，因此被廣泛用于人工骨骼、人工關節、人造牙等人體植入物，當新的肌肉纖維環包在這些“鈦骨”上時，這些鈦骨就開始維系著人體的正常活動。
人工關節
此外，鈦對任何殺菌方法都適應，在制藥機械、醫療器械方面的應用也得到進一步的認識，未來需求不可低估。
鈦在人體中分布廣泛，正常人體中的含量為每70kg體重不超過15mg，其作用尚不清楚。但鈦能刺激吞噬細胞，使免疫力增強這一作用已被證實。
體育和日用品
鈦在全球高爾夫球具制造領域的消耗數量巨大，每年用于鈦高爾夫球具制造的鈦材量高達6000多噸。此外，網球拍、羽毛球拍、滑雪杖、雪鏟、登山冰杖、登山釘、雪撬、擊劍防護面罩、釣魚桿、自行車、眼鏡架、食品器皿、手表、工藝品以及其它生活用品都廣泛使用鈦材。
鈦合金餐具
能源材料
鈦在電池材料、核工業、建筑材料、地熱開發、電力、尤其探勘與開發等方面都有廣泛應用。
鈦也可用作電極和發電站的冷凝器以及環境污染控制裝置。
鈦化合物
“鈦白”顏料
二氧化鈦（TiO2）：純凈的二氧化鈦是白色粉末，是優良的白色顏料，商品名稱“鈦白”。它兼有鉛白（PbCO3）的遮蓋性能和鋅白（ZnO）的持久性能。因此，人們常把鈦白加在油漆中，制成高級白色油漆。在造紙工業中作為填充劑加在紙槳中；紡織工業中作為人造纖維的消光劑；在玻璃、陶瓷、搪瓷工業上作為添加劑，改善其性能；在許多化學反應中用作催化劑。二氧化鈦還是許多防曬霜和素顏霜的核心成分之一，主要是提亮膚色，它作為物理防曬劑，能有效反射紫外線，保護肌膚免受紫外線傷害。
防曬霜
四氯化鈦（TiCl4）：四氯化鈦是一種無色液體；熔點250K、沸點409K，有刺激性氣味。它在水中或潮濕的空氣中都極易水解，冒出大量的白煙。因此TiCl4在軍事上作為人造煙霧劑，猶其是用在海洋戰爭中。在農業上，人們用TiCl4形成的濃霧地面，減少夜間地面熱量的散失，保護蔬菜和農作物不受嚴寒、霜凍的危害。
偏鈦酸鋇（BaTiO3）：人工制得的BaTiO3具有高的介電常數，由它制成的電容器有較大的容量，更重要的是BaTiO3具有顯著的“壓電性能”，其晶體受壓會產生電流，一通電，又會改變形狀。人們把它置于超聲波中，它受壓便產生電流，通過測量電流強弱可測出超聲波強弱。幾乎所有的超聲波儀器中都要用到它。隨著鈦酸鹽的開發利用，它愈來愈廣泛地用來制造非線性元件、介質放大器、電子計算機記憶元件、微型電容器、電鍍材料、航空材料、強磁、半導體材料、光學儀器、試劑等。
TiCl3：是紫色晶體，其水溶液可用做還原劑。Ti3+比Sn3+有更強的還原性。
碳化鈦、氫化鈦：是新型硬質合金材料。
氮化鈦：顏色近于黃金，在裝飾方面應用廣泛。
其他應用
除氧劑：粉末狀鈦可在電子管制造工藝中用作除氧劑。
鍍鈦的首飾：具有獨特的色彩和光澤，受到了眾多設計師和消費者的喜愛。
鈦的自清潔能力：也引起了科學家們的關注。未來，涂有特殊鈦材料的墻面可能會在雨天自動清潔，讓我們的城市更加美麗。
鈦在各方面有著廣泛的應用，包括航天、軍事、工業程序、汽車、農產食品、醫學、廚房用具、運動用品、珠寶及手機等等。
六、鈦的危害
雖然鈦本身對人體并沒有危害，但鈦的化合物如四氯化鈦和氧化鈦粉(鈦白粉)對人體具有一定的危害，國際癌癥研究機構已將氧化鈦列為人類2B類致癌物質。
研究發現，從事氧化鈦生產的工人患肺癌的風險要高于其他人群。人類吸入氧化鈦粉(特別是納米級尺寸的粉末)后，納米氧化鈦粉可以損傷肺、肝、腎等組織器官，其中肺是納米氧化鈦攻擊的主要目標，納米氧化鈦由于尺寸小、比表面積大等特性，可以迅速滲透進入靶細胞中，一定程度上刺激了細胞的氧化應激，并損傷細胞線粒體。然而目前關于氧化鈦對肺細胞的攻擊及致癌機制還并不清楚，而將氧化鈦列為可能致癌物質，也得到了許多組織和機構的反對，因此關于氧化鈦的毒性機制還需要進一步研究。
結語
從沙灘上的黑色礦石，到現如今諸多領域的應用，鈦已成為人類科技進步和生活美好的象征，無疑為我們的生活帶來了更多的便利和樂趣。雖然我們無法預知未來，但可以肯定的是，鈦將繼續以其堅實的力量和獨特的魅力，為人類的未來發展貢獻自己的力量。
現在，當你再次提起鈦這個名字時，你是否會想起它那如神話般的傳奇歷程，和它在我們生活中的無盡可能性，讓我們一起期待它帶給我們更多的驚喜和改變吧。
