鈦是一種金屬元素,英文名稱:Titanium,化學符號Ti,原子序數22,屬于元素周期表上的IVB族金屬元素。鈦的熔點1660℃,沸點3287℃,密度4.54g/cm⊃3;。
鈦是灰色的過渡金屬,其特征是重量輕、強度高、有良好的抗腐蝕能力。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,被美譽為“太空金屬”。
鈦最常見的化合物是二氧化鈦(俗稱鈦白粉),其他化合物還包括四氯化鈦及三氯化鈦。鈦是地殼中分布最廣和豐度最高的元素之一,占地殼質量的0.16%,居第九位。鈦的礦石主要有鈦鐵礦和金紅石。
鈦最為突出的兩大優點是比強度高和耐腐蝕性強,這就決定了鈦必然在航空航天、武器裝備、能源、化工、冶金、建筑和交通等領域應用前景廣闊。儲量豐富為鈦的廣泛應用提供了資源基礎。
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鈦是地殼中分布最廣的元素之一,占地殼重量的0.61%,列居第9位。鈦資源僅次于鐵、鋁、鎂列居第4位。根據USGS 2017年的數據,全球鈦礦(鈦鐵礦和金紅石)儲量約8.3億噸,其中鈦鐵礦占89%。我國鈦礦儲量約2.2億噸,占全球總儲量的26.4%,位居世界第一。澳大利亞的鈦礦儲量占世界儲量的21.2%,居世界第二。 據中國化工制造網的數據顯示,全球90%的鈦被用來生產鈦白粉,只有4%用在生產海綿鈦,6%用于其他方面。我國是世界上四個擁有從礦石處理到鈦材生產完整工業體系的國家之一,也是鈦鐵礦儲量最多的國家,但是產量最高的國家是澳大利亞。
鈦工業的流程較為簡單,可分為兩條路徑:一是以鈦鐵礦或金紅石為原料加工生產出高純度的四氯化鈦,再用鎂作為還原劑將四氯化鈦中的鈦還原出來,即可得到海綿鈦;二是將原料直接加工獲得鈦白粉。全球目前僅有中國、日本、美國、俄羅斯、哈薩克斯坦和烏克蘭6個國家生產海綿鈦, 且生產工藝全部采用Mg還原法。中國海綿鈦生產能力位居第一,占全球產能的49%,其次是日本19%和俄羅斯14%,哈薩克斯坦約占8%,美國約7%,烏克蘭3%。2014年以來海綿鈦行業陷入全行業虧損的困境,企業總體開工率持續降低。中國近幾年行業平均開工率一直保持在50~60%的低位,遠低于國外80%左右的水平。
人類社會在進步,飛機也在快速發展,采用既輕又堅固的材料,即比強度、比剛度制造飛機也成為研究的方向。可以說材料的發展推動了飛機的發展,在飛機的發展中鈦隨著時間空間的輪換被推到了“太空金屬”的前沿。鈦的硬度與鋼鐵差不多,而它的重量幾乎只有同體積鋼鐵的一半,鈦雖然稍稍比鋁重一點,它的硬度卻比鋁大2倍,于是鈦的優勢慢慢在航空航天領域得以展現。鈦上世紀40年代研制成功,50年代初期全面進入工業生產,恰好那時飛機達到超音速。當超音速飛機飛行時,它的機翼的溫度可以達到500℃。如用比較耐熱的鋁合金制造機翼,一到二三百度也會吃不消,必須有一種又輕、又韌、又耐高溫的材料來代替鋁合金,鈦恰好此時“破土而出”能夠滿足這些要求。如美國研制的飛機隨著鈦合金用量的比例增加,促使飛機性能趨向更好,如50年代研制的F-4E鬼怪戰斗機,鈦合金只占飛機質量的6%,稍后的F-14A戰斗機鈦占到25%。60年代后研制的SR-71偵察機,飛行高度達24000米,航程達4800千米,要飛那么高、飛那么快,飛那么遠,用鋁和鋼那就不行了,于是,鈦展現了自己獨特的魅力,“英雄鈦”找到了自己的“用武之地”,這種飛機用鈦占到了93%,號稱“全鈦飛機”。如今,有的超音速遠程截擊機用鈦作為主要結構材料,鈦的使用量幾乎占到整個機體結構總重量的95%,所以,如果沒有鈦合金就很難發展目前的超音速飛機。現在,鈦,已經成為宇宙航行的重要角色。在航天事業中,鈦可制成飛船的“外衣”,防高溫的侵襲。目前世界上每年用于宇宙航行的鈦,已達1000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。C919國產大飛機總裝在即,將推進我國鈦工業的發展。