钛金属
来源： 科普中国 发布时间：2023-03-22
钛金属外观似钢，具有银灰光泽，是一种过渡金属，在过去一段时间内人们一直认为它是一种稀有金属。钛并不是稀有金属，钛在地壳中约占总重量的0.42%，是 铜、镍、铅、锌的总量的16倍。在金属世界里排行第七，含钛的矿物多达70多种。钛的强度大，密度小，硬度大，熔点高，抗腐蚀性很强；高纯度钛具有良好的可塑性，但当有杂质存在时变得脆而硬。
简单介绍钛的比重仅是铁的1/2，却像铜一样经得起锤击和拉延。
在超低温世界里，钛会变得更为坚硬，并有超导体的性能，钢则变得脆弱无能。
钛有很强的耐酸碱腐蚀能力，在海水中浸5年不锈蚀，钢铁在海水中则会腐蚀变质。用钛合金为船只制造外壳，海水无法腐蚀它。用钛合金制成的“钛潜艇”，可潜入4500米的深度，一般钢铁潜艇在超过300米就容易被水压压坏。
“钛飞机”坚实又轻便，一架大型钛客机可比同样重的普通飞机多载100余人，飞机时速每小时可超过300千米，铝合金飞机最多是240千米。
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。
在航天事业中，钛可制成飞船的“外衣”，防高温的侵袭。
钛和镍组成的合金，被成为“记忆合金”。这种合金制成预先确定的形状,再经定型处理后,若受外力变形，只要稍微加热便可恢复原来的面貌。这种合金已在不少领域得到应用。如美国阿波罗号飞船上用的天线，就是这种记忆合金；上海第一医学院附属第九人民医院已将这种记忆合金用于妇女绝育手术中；另外还可用于仪表、电子装置等领域。
碳化钛（tic）颇象碳化铁，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,它有着实际应用价值。
用钛制器皿保存食物，器皿不会被腐蚀产生离子，食物能保持原有风味；钛制炊具既轻巧又强度高,还不会生锈，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。
钛在外科医疗手术上的应用，也非常引人入胜。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。在头损坏的地方,用钛片与钛螺丝钉，过了几个月，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”。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，少量钛是良好的脱氧、除氮及除硫剂。
钛酸钡晶体被广泛应用于超声波仪器和水底探测器中。这是因为具有受压斩改变形状时，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。
在用金色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。
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。
地理分布中国探明的钛资源分布在21个省（自治区、直辖市）共108个矿区（图3.5.1及表3.5.4）。主要产区为四川，次有河北、海南、广东、湖北、广西、云南、陕西、山西等省（区）。
钛磁铁矿岩矿
主要矿床分布在四川省的攀枝花和红格，米易的白马，西昌的太和；河北省承德的大庙、黑山，丰宁的招兵沟，崇礼的南天门；山西省左权的桐峪；陕西省洋县的毕机沟；新疆的尾亚；河南省舞阳的赵案庄；广东省兴宁的霞岚；黑龙江省的呼玛；北京市昌平的上庄和怀柔的新地。其中四川省表内储量（tio2 44256.32万t）占全国同类储量（tio2 46522.83万t）的95.1%，河北省（tio2 1544.46万t）占3.3%，陕西省占0.46%，山西省占0.35%。
金红石岩矿
主要矿床分布在湖北省枣阳的大阜山；山西省代县的碾子沟；河南省新县的杨冲；山东省莱西县的刘家庄。其中湖北省金红石（tio2）表内储量（534.43万t）占全国同类储量（750.86万t）的71.2%，山西省（154.79万t）占20.6%，陕西省（44.4万t）占5.9%。
钛矿资源截至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t和16440万t，资源总量约2.3亿t（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t和4.353亿t，资源总量约10亿t；主要集中在南非、挪威、澳大利亚、加拿大和印度。
截至1996年底中国保有原生钛（磁）铁矿（折tio2）储量35704.09万t（其中a b c级23191.50万t）；钛铁矿（砂矿）矿物储量3803.19万t（其中a b c级2147.17万t）；金红石矿物储量256.86万t（其中a b c级73.73万t)；金红石tio2储量750.86万t（其中a b c级242.43万t）。
若将中国1996年保有钛铁矿砂矿的a b c级矿物储量2147.17万t按含tio248%折算，则其tio2储量为1030.64万t，仅占同年世界钛铁矿(tio2)27000万t的3.83%；若再将其与原生钛磁铁矿岩矿（tio2）的a b c级储量（23 191.50万t）中可利用的约占50%以粒状钛铁矿产出的（tio2）储量11595.75万t相加，其tio2总储量为12626.6万t，则占同年世界钛铁矿（tio2）储量27000万t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。
若将中国1996年保有金红石矿物的a b c级储量73.73万t按含tio2 94%折算成tio2储量为69.31万t，再加上同年金红石（tio2）的a b c级储量242.43万t，合计为311.74万t，则占同年世界金红石（tio2）储量3330万t的9.36%，由此可见中国金红石资源并不丰富。
钛的冶炼钛在1791年被发现，而第一次制得纯净的钛却是在1910年，中间经历了一百余年。原因在于：钛在高温下性质十分活泼，很易和氧、氮、碳等元素化合，要提炼出纯钛需要十分苛刻的条件。
工业上常用硫酸分解钛铁矿的方法制取二氧化钛，再由二氧化钛制取金属钛。浓硫酸处理磨碎的钛铁矿（精矿），发生下面的化学反应：
fetio3 3h2so4 == ti(so4)2 feso4 3h2o
fetio3 2h2so4 == tioso4 feso4 2h2o
feo h2so4 == feso4 h2o
fe2o3 3h2so4 == fe2(so4)3 3h2o2
为了除去杂质fe2(so4)3，加入铁屑，fe3 还原为fe2 ，然后将溶液冷却至273k以下，使得feso4·7h2o（绿矾）作为副产品结晶析出。
ti(so4)2和tioso4水解析出白色的偏钛酸沉淀，反应是：
ti(so4)2 h2o == tioso4 h2so4
tioso4 2h2o == h2tio3 h2so4
锻烧偏钛酸即制得二氧化钛：
h2tio3 == tio2 h2o
工业上制金属钛采用金属热还原法还原四氯化钛。将tio2（或天然的金红石）和炭粉混合加热至1000～1100k，进行氯化处理，并使生成的ticl4，蒸气冷凝。3
tio2 2c 2cl2=ticl4 2co-
在1070k 用熔融的镁在氩气中还原ticl4可得多孔的海绵钛：
ticl4 2mg=2mgcl2 ti
这种海绵钛经过粉碎、放入真空电弧炉里熔炼，最后制成各种钛材。
钛的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1942k，比黄金高近1000k ，比钢高近500k。
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，一般金属在酸的溶液中变得千疮百孔而钛却安然无恙。
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% 。同时，钛无磁性，不会被水雷发现，具有很好的反监护作用。
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。
相关合物重要的钛化合物有：二氧化钛(tio2)、四氯化钛(ticl4)、偏钛酸钡(batio3)。
二氧化钛
纯净的二氧化钛是白色粉末，是优良的白色颜料，商品名称“钛白”。它兼有铅白(pbco3)的遮盖性能和锌白（zno）的持久性能。因此，人们常把钛白加在油漆中，制成高级白色油漆；在造纸工业中作为填充剂加在纸桨中；在纺织工业中作为人造纤维的消光剂；在玻璃、陶瓷、搪瓷工业上作为添加剂，改善其性能；在许多化学反应中用作催化剂。化学工业日益发展，二氧化钛及钛系化合物作为精细化工产品，有着很高的附加价值，前景十分诱人。
四氯化钛
四氯化钛是一种无色液体；熔点250k、沸点409k，有制激性气味。它在水中或潮湿的空气中都极易水解，冒出大量的白烟。
ticl4 3h2o == h2tio3 4hcl
因此ticl4在军事上作为人造烟雾剂，犹其是用在海洋战争中。在农业上，人们用ticl4形成的浓雾地面，减少夜间地面热量的散失，保护蔬菜和农作物不受严寒、霜冻的危害。
偏钛酸钡
将tio2和baco3一起熔融制得偏钛酸钡：
tio2 baco3 == batio3十co2-
人工制得的batio3具有高的介电常数，由它制成的电容器有较大的容量，更重要的是batio3具有显著的“压电性能”，其晶体受压会产生电流，一通电，又会改变形状。人们把它置于超声波中，它受压便产生电流，通过测量电流强弱可测出超声波强弱。几乎所有的超声波仪器中都要用到它。随着钛酸盐的开发利用，它愈来愈广泛地用来制造非线性元件、介质放大器、电子计算机记忆元件、微型电容器、电镀材料、航空材料、强磁、半导体材料、光学仪器、试剂等。
钛的产品钛及钛合金是极其重要的轻质结构材料,在航空、航天、车辆工程、生物医学工程等领域具有非常重要的应用价值和广阔的应用前景。
材质：典化钛，工业纯钛， α 型钛， β 型钛， α β型钛
类型包括有钛丝、钛网、钛管、钛片、钛箔。
钛网：应用于一些仪器以及装置，起过滤作用。
钛丝：除了工业上的应用，高级钛丝还应用于一些植入和美容手术。
钛管：应用于工业、机械上。
钛片：应用于骨骼上的植入，外科接骨手术与生物植入公司。
钛箔：应用同上，钛箔是更薄的钛片，厚度在0.1mm以下。
现状展望钛、钛合金及钛化合物的优良性能促使人类迫切需要它们。然而，生产成本之高，使应用受到限制。
据相关统计数据，2012年我国化工行业用钛量达2.5万吨，比2011年有所减少。这是自2009年以来，我国化工用钛市场首次出现负增长。近些年来，化工行业一直是钛加工材最大的用户，其用量在钛材总用量的占比一直保持在50%以上，2011年占比高达55%。但随着经济陷入低迷期，化工行业不但新建项目明显减少，同时还将面临产业结构调整，部分产品新建产能受到控制，落后产能也将逐步淘汰的境地。受此影响，其对钛加工材用量的萎缩也变得顺理成章。在此之前，便有业内人士预测化工行业用钛量在2013~2015年间达到峰值。以当前市场表现看来，2012年整体经济的疲软有可能使得化工用钛的衰退期提前。
随着上述政策以及国家相关环保、产业政策落地和市场的推动，我国钛白粉行业将经历去产能化过程，催生行业升级，提高氯化法钛白粉比例，提升行业集中度。未来5年，我国钛白粉行业将迎来大范围重组、整合。近期中核钛白、金浦钛业的收购行为和意向预示着钛白粉行业整合大幕已经开启。
本词条内容贡献者为:
侯传涛 - 副教授 - 青岛大学
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