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钛为什么被称为“太空金属”?

发布者:2022-07-22 08:48:08
  钛是一种金属元素,英文名称:Titanium,化学符号Ti,原子序数22,属于元素周期表上的IVB族金属元素。钛的熔点1660℃,沸点3287℃,密度4.54g/cm⊃3;。
  钛是灰色的过渡金属,其特征是重量轻、强度高、有良好的抗腐蚀能力。由于其稳定的化学性质,良好的耐高温、耐低温、抗强酸、抗强碱,以及高强度、低密度,被美誉为“太空金属”。
  钛最常见的化合物是二氧化钛(俗称钛白粉),其他化合物还包括四氯化钛及三氯化钛。钛是地壳中分布最广和丰度最高的元素之一,占地壳质量的0.16%,居第九位。钛的矿石主要有钛铁矿和金红石。
  钛最为突出的两大优点是比强度高和耐腐蚀性强,这就决定了钛必然在航空航天、武器装备、能源、化工、冶金、建筑和交通等领域应用前景广阔。储量丰富为钛的广泛应用提供了资源基础。
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  钛是地壳中分布最广的元素之一,占地壳重量的0.61%,列居第9位。钛资源仅次于铁、铝、镁列居第4位。根据USGS 2017年的数据,全球钛矿(钛铁矿和金红石)储量约8.3亿吨,其中钛铁矿占89%。我国钛矿储量约2.2亿吨,占全球总储量的26.4%,位居世界第一。澳大利亚的钛矿储量占世界储量的21.2%,居世界第二。 据中国化工制造网的数据显示,全球90%的钛被用来生产钛白粉,只有4%用在生产海绵钛,6%用于其他方面。我国是世界上四个拥有从矿石处理到钛材生产完整工业体系的国家之一,也是钛铁矿储量最多的国家,但是产量最高的国家是澳大利亚。
  钛工业的流程较为简单,可分为两条路径:一是以钛铁矿或金红石为原料加工生产出高纯度的四氯化钛,再用镁作为还原剂将四氯化钛中的钛还原出来,即可得到海绵钛;二是将原料直接加工获得钛白粉。全球目前仅有中国、日本、美国、俄罗斯、哈萨克斯坦和乌克兰6个国家生产海绵钛, 且生产工艺全部采用Mg还原法。中国海绵钛生产能力位居第一,占全球产能的49%,其次是日本19%和俄罗斯14%,哈萨克斯坦约占8%,美国约7%,乌克兰3%。2014年以来海绵钛行业陷入全行业亏损的困境,企业总体开工率持续降低。中国近几年行业平均开工率一直保持在50~60%的低位,远低于国外80%左右的水平。
  人类社会在进步,飞机也在快速发展,采用既轻又坚固的材料,即比强度、比刚度制造飞机也成为研究的方向。可以说材料的发展推动了飞机的发展,在飞机的发展中钛随着时间空间的轮换被推到了“太空金属”的前沿。钛的硬度与钢铁差不多,而它的重量几乎只有同体积钢铁的一半,钛虽然稍稍比铝重一点,它的硬度却比铝大2倍,于是钛的优势慢慢在航空航天领域得以展现。钛上世纪40年代研制成功,50年代初期全面进入工业生产,恰好那时飞机达到超音速。当超音速飞机飞行时,它的机翼的温度可以达到500℃。如用比较耐热的铝合金制造机翼,一到二三百度也会吃不消,必须有一种又轻、又韧、又耐高温的材料来代替铝合金,钛恰好此时“破土而出”能够满足这些要求。如美国研制的飞机随着钛合金用量的比例增加,促使飞机性能趋向更好,如50年代研制的F-4E鬼怪战斗机,钛合金只占飞机质量的6%,稍后的F-14A战斗机钛占到25%。60年代后研制的SR-71侦察机,飞行高度达24000米,航程达4800千米,要飞那么高、飞那么快,飞那么远,用铝和钢那就不行了,于是,钛展现了自己独特的魅力,“英雄钛”找到了自己的“用武之地”,这种飞机用钛占到了93%,号称“全钛飞机”。如今,有的超音速远程截击机用钛作为主要结构材料,钛的使用量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。现在,钛,已经成为宇宙航行的重要角色。在航天事业中,钛可制成飞船的“外衣”,防高温的侵袭。目前世界上每年用于宇宙航行的钛,已达1000吨以上。极细的钛粉,还是火箭的好燃料,所以钛被誉为宇宙金属,空间金属。C919国产大飞机总装在即,将推进我国钛工业的发展。

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