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7440-32-6 / 鈦的性質與應用

鈦是一種化學元素,其化學符號為Ti,原子序數為22,原子量為47.867u。鈦是銀白色的過渡金屬,其特征為重量輕、強度高、具金屬光澤,亦有良好的抗腐蝕能力(包括海水、王水及氯氣)。由于其穩定的化學性質,良好的耐高溫、耐低溫、抗強酸、抗強堿,以及高強度、低密度,常用來制造火箭及太空船,因此獲美譽為“太空金屬”。鈦于1791年由格雷戈爾于英國康沃爾郡發現,并由克拉普羅特用希臘神話的泰坦為其命名。

鈦的性質與應用

性質

在金屬元素中,鈦的比強度很高。它是一種高強度但低質量的金屬,而且具有相當好的延展性(尤其是在無氧的環境下)。鈦的表面呈銀白色金屬光澤。它的熔點相當地高(超過1,649攝氏度),所以是良好的耐火金屬材料。它具有順磁性,其電導率及熱導率皆甚低。

商業等級的鈦(純度為99.2%)具有約為434兆帕斯卡的極限抗拉強度,與低等級的鋼合金相若,但比鋼合金要輕45%。鈦的密度比鋁高60%,但強度是常見的6061-T6鋁合金的兩倍。鈦可被用于各種用途。某些鈦合金(例如βC)的抗拉強度達1,400兆帕斯卡。然而,當鈦被加熱至430攝氏度以上時,強度會減弱。

盡管比不上高等級的熱處理鋼,鈦仍具有相當的硬度。鈦不具磁性,同時是不良的導熱及導電體。用機械處理時需要注意,因為如不采用鋒利的器具及適當的冷卻手法,鈦會軟化,并留有壓痕。像鋼結構體一樣,鈦結構體也有疲勞極限,因此在某些應用上可保證持久耐用。鈦合金的比勁度一般不如鋁合金及碳纖維等其他物料,所以較少應用于需要高剛度的結構上。

鈦具有兩種同素異形體,在882攝氏度時,就會從六方最密堆積的α型轉變成體心立方的β型。在到達臨界溫度前,α型的比熱會隨著升溫而暴增,但到達后會下降,然后在β型下不論溫度地保持基本恒定。跟鋯和鉿類似,鈦還存在一種ω態,在高壓時熱力學穩定,但也可能在常壓下以介穩態存在。此態一般是六邊形(理想)或三角形(扭曲),在軟性縱波聲頻光子導致β型(111)原子平面倒塌時能被觀測到。

應用

鈦是鋼的一種合金用元素(鈦鐵),鈦會縮小鋼的晶粒尺寸,同時作為脫氧劑的鈦會減低鋼的含氧量;在不銹鋼中加鈦會減低含碳量。鈦常與其他金屬制成合金,這些金屬有鋁(改良晶粒大小)、釩、銅(硬化)、鎂及鉬等。鈦的機械制品(片、板、管、線、鍛件、鑄件)在工業、宇宙航行、休閑及新興市場上都有應用。鈦粉在煙火制造上用于提供明亮的燃燒顆粒。

顏料、添加劑及涂料

二氧化鈦是最常用的鈦化合物

從地球表面被開采的鈦礦石中,約95%都被送往提煉成二氧化鈦(TiO2),俗稱鈦白(粉),一種超白的持久顏料,性質安定、無毒且覆蓋力佳,常被用于制造涂料、紙張、牙膏及塑膠,也是立可白的主要成分。二氧化鈦也被用于水泥、寶石、造紙用遮光劑及石墨復合魚桿、高爾夫球桿的強化劑。

粉末狀的TiO2化學上具惰性,陽光下不褪色,而且很不透光:就是這些性質,使得它能夠為制造家用塑膠的灰色或棕色化學品帶來艷麗的純白色。在自然中,二氧化鈦這種化合物可在銳鈦礦、板鈦礦及金紅石這幾種礦物中找到。用二氧化鈦制成的涂料能夠耐高溫,輕度阻止塵污積聚,及抵受海洋環境帶來的影響。純二氧化鈦的折射率非常高,而且對光學色散能力比鉆石還高。除了作為一種很重要的顏料之外,二氧化鈦還會吸收紫外線,可用于防曬化妝品中。

奈米級二氧化鈦也會吸收紫外線,可制成光觸媒產品,有除臭、殺菌及消毒的功能。

最近,它還被用在空氣凈化器(過濾器涂層),及貼在建筑物窗上的薄膜,這種薄膜在接觸到紫外線(太陽或人工)或空氣中的水分時,會產生帶高度活性的氧化還原物種,如羥基,能凈化空氣或保持窗面清潔。

宇宙航行及航海

由于它的高抗拉強度-密度比、優良的抗腐蝕性、抗疲乏性、抗裂痕性及能夠在沒有蠕變的情況下抵受適度高溫,鈦合金被用于航空器、裝甲敷板、海軍艦只、航天器與導彈。

在這些應用中,鈦與鋁、釩及其他元素所制成的合金,用于制造各種元件,包括關鍵的架構部件、防火墻、起落架、排氣管(直升機)及液壓系統。事實上,約三分二的鈦金屬生產量被用于制造太空船引擎及構架。

由于不易被海水腐蝕,鈦被用于制造螺槳軸、索具及用于海水淡化廠的換熱器;還被用于咸水水族館的冷熱水器、釣魚線及潛水用刀。鈦被用于制造海洋監視部署的住房及其他元件,及用于以及科學用或軍用的監察儀。前蘇聯研發出主要用鈦制造潛艇的技術。

工業

化工及石油化工領域需要用到焊鈦制的管道及加工設備(換熱器、槽、加工用容器、閥),主要原因是鈦的抗腐蝕性。井內與鎳濕法冶金應用要用到特定的幾種合金,如鈦βC,因為需要高強度、高抗腐蝕性或兩者同時。制紙業某些會面對腐蝕性介質的生產設備會用到鈦,這些腐蝕性介質包括次氯酸鈉或濕氯氣(用于漂白)。其他應用包括:超聲波焊接、熔錫波焊及濺鍍靶材。

四氯化鈦(TiCl4)是一種無色液體,在生產二氧化鈦的過程中的是一種重要的中間物,可用于生產齊格勒-納塔催化劑及制造鍍銥玻璃,還由于它在濕氣中會產生濃煙,所以可以用四氯化鈦來制造煙幕。

消費品及建材

鈦金屬被用于汽車,尤其是賽車(汽車或摩托),在這領域減低重量,但同時不失強度及剛度是極其重要的。一般來說,鈦金屬對普羅大眾的消費市場來說太昂貴了,很難會有銷路,所以它的主要市場是高檔產品,尤其是競賽用/高性能市場。

鈦被用于各種體育用品:網球拍、高爾夫球桿桿頭、袋棍球棒手柄;板球、曲棍球、袋棍球及美式足球的頭盔上的護架;以及自行車的骨架及元件。盡管鈦并不是自行車生產的主流材料,但仍有運動選手及自行車冒險愛好者使用鈦制的自行車。鈦合金亦被用于制造眼鏡框架,雖然這種鏡框會有點昂貴,但是它重量輕又很經久耐用,而且不會造成皮膚敏感。許多野外背包客都有鈦制的裝備,包括煮食用具、餐具、提燈及帳蓬的標樁。雖然比傳統的鋼或鋁制的同類稍貴,這些鈦制品要輕得多但強度不減。蹄鐵匠也偏好使用鈦,因為鈦制的馬蹄鐵比鋼制的更輕且更耐用。