金属钛的介绍

材料化学论文

钛

Titanium

姓    名：       胡群             

学    号：    1106000135          

系    别：    化学与环境科学系    

专    业：      化 学             

年    级：      11 级             

指导教师：      林德娟            

2013  年  11  月  25 日

前言

金属铁、镁、铝、铅、锌、铜等广泛应用，为人们熟悉。然而近年来，随着科学技术的飞速发展，上述金属已不能满足现代科学技术的需要。钛却闪烁着时代的光辉，成为金属中的新秀。为了回顾并更好的利用金属钛，在本论文中，依次介绍了钛的发展史，结构式，制备方法，表征，应用及发展前景。

一、发展史

钛是一种化学元素，化学符号Ti，原子序数22，是一种银白色的过渡金属，其特征为重量轻、强度高、具金属光泽，亦有良好的抗腐蚀能力（包括海水、王水及氯气）。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”。

1791年英国牧师W．格雷戈尔(Gregor)在黑磁铁矿中发现了一种新的金属元素。1795年德国化学家M．H．克拉普鲁斯(Klaproth)在研究金红石时也发现了该元素，并以希腊神Titans命名之。1910年美国科学家M．A．亨特(Hunter)首次用钠还原TiCI：制取了纯钛。1940年卢森堡科学家W．J．克劳尔(kroll)用镁还原TiCl：制得了纯钛。从此，镁还原法(又称为克劳尔法)和钠还原法(又称为亨特法)成为生产海绵钛的工业方法。美国在1948年用镁还原法制出2t海绵钛，从此达到了工业生产规模。随后，英国、日本、前苏联和中国也相继进入工业化生产，其中主要的产钛大国为前苏联、日本和美国。

钛是一种新金属，由于它具有一系列优异特性，被广泛用于航空、航天、化工、石油、冶金、轻工、电力、海水淡化、舰艇和日常生活器具等工业生产中，它被誉为现代金属。金属钛生产从1948年至今才有半个世纪的历史，它是伴随着航空和航天工业而发展起来的新兴工业。它的发展经受了数次大起大落，这是因为钛与飞机制造业有关的缘故。但总的说来，钛发展的速度是很快的，它超过了任何一种其他有色金属的发展速度。这从全世界海绵钛工业发展情况可以看出：海绵钛生产规模60年代为60kt/a，70年代为1lOkt/a，80年代为130kt/a，到1992年已达140kt/a。实际产量1990年达到历史最高水平，为105kt/a。 

进入90年代后，由于军用钛量减少和俄罗斯等一些国家抛售库存海绵钛，使前几年市场疲软。1995年钛的市场开始回升，主要由于B777等民用飞机和高尔夫球杆等民用钛量大幅度增加， 1996年钛的需求量达到一个新的高点。专家预测今后几年内钛的 需求量将继续较大幅度增长。目前妨碍钛应用的主要原因是价格贵。可以预料，随着科学技术的进步和钛生产工艺的不断完善、 扩大企业的生产能力和提高管理水平、进一步降低钛制品的成本， 必然会开拓出更广泛的钛市场。

二、钛的结构式

钛是一种新型金属，钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关，最纯的碘化钛杂质含量不超过0.1%，但其强度低、塑性高。99.5%工业纯钛的性能为：密度ρ=4.5g/立方厘米，熔点为1725℃，导热系数λ=15.24W/(m.K)，抗拉强度σb=539MPa，伸长率δ=25%，断面收缩率ψ=25%，弹性模量E=1.078×105MPa，硬度HB195。钛是同素异构体，熔点为1668℃，在低于882℃时呈密排六方晶格结构，称为α钛；在882℃以上呈体心立方晶格结构，称为β钛。

三、制备方法

从采矿到制成钛材的工艺过程的主要步骤为： 钛矿->采矿->选矿->太精矿->富集->富钛料->氯化->粗TiCl4->精制->纯TiCl4->镁还原->海绵钛->熔铸->钛锭->加工->钛材或钛部件

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 

　　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。 

　　           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 　

四、钛的应用

钛能与铁、铝、钒或钼等其他元素熔成合金，加入不同的合金元素后,钛合金可分成α-、β-和α+β三类。造出高强度的轻合金，在各方面有着广泛的应用，包括航天（噴氣發動機、导弹及航天器）、军事、工业程序（化工与石油制品、海水淡化及造纸）、汽车、农产食品、医学（义肢、骨科移植及牙科器械与填充物）、运动用品、珠宝及手机等等。

与化合物的反应：

◇ HF和氟化物 

    氟化氢气体在加热时与钛发生反应生成TiF4，反应式为（1）不含水的氟化氢液体可在钛表面上生成一层致密的四氟化钛膜，可防止HF浸入钛的内部。氢氟酸是钛的最强熔剂。即使是浓度为1%的氢氟酸，也能与钛发生激烈反应，见式（2）无水的氟化物及其水溶液在低温下不与钛发生反应，仅在高温下熔融的氟化物与钛发生显著反应。 

Ti＋4HF＝TiF4＋2H2              （1）

2Ti＋6HF＝2TiF4＋3H2              （2） 

◇ HCl和氯化物 

氯化氢气体能腐蚀金属钛，干燥的氯化氢在大于300℃时与钛反应生成TiCl4，见 式(3)；浓度小于5%的盐酸 在室温下不与钛反应，20%的盐酸在常温下与钛发生瓜在生成紫色的TiCl3，见式(4)；当温度长高时，即使稀盐酸也会腐蚀钛。各种无水的氯化物，如镁、锰、铁、镍、铜、锌、汞、锡、钙、钠、钡和铵根离子及其水溶液，都不与钛发生反应，钛在这些氯化物中具有很好的稳定性。 

Ti＋4HCl＝TiCl4＋2H2              (3)

2Ti＋6HCl＝TiCl3＋3H2              (4) 

◇ 硫酸和硫化氢 

钛与小于5%的稀硫酸反应后在钛表面上生成保护性氧化膜，可保护钛不被稀酸 继续腐蚀。但大于5%的硫酸与钛有明显的反应，在常温下，约40%的硫酸对钛的腐蚀速度最快，当浓度大于40%，达到60%时腐蚀速度反而变慢，80%又达到最快。加热的稀酸或50%的浓硫酸可与钛反应生成硫酸钛，见式（5）,（6），加热的浓硫酸可被钛还原，生成SO2，见式（7）。常温下钛与硫化氢反应，在其表面生成一层保护膜，可阻止硫化氢与钛的进一步反应。但在高温下，硫化氢与钛反应析出氢，见式（8），粉末钛在600℃开始与硫化氢反应生成钛的硫化物，在900℃时反应产物主要为TiS，1200℃时为Ti2S3。 

Ti＋H2SO4＝TiSO4＋H2              (5) 

2Ti＋3H2SO4＝Ti2(SO4)3＋H2           (6) 

2Ti＋6 H2SO4＝Ti2(SO4)3＋3SO2＋6H2O  (7)

Ti＋H2S＝TiS＋H2                     (8) 

◇ 和王水

致密的表面光滑的钛对具有很好的稳定性，这是由于能快速在钛表面生成一层牢固的氧化膜，但是表面粗糙，特别是海绵钛或粉末钛，可与次、热稀发生反应，见式（9）、（10），高于70℃的浓也可与钛发生反应，见式（11）；常温下，钛不与王水反应。温度高时，钛可与王水反应生成TiCl2。 

3Ti＋4HNO3＋4H2O＝3H4TiO4＋4NO  (9)

3Ti＋4HNO3＋H2O＝3H2TiO3＋4NO     (10) 

Ti＋8HNO3＝Ti(NO3)4＋4NO2＋4H2O    (11) 

五、表征

对产物进行X分析其衍射图谱，获得该晶体材料的组成及内部原子或分子的相结构、晶格参数、晶体缺陷（位错等）、不同结构相含量，然后对照标准谱图分析晶格参数、晶体缺陷（位错等）以确定所制样品是否为钛。

六、展望

1、汽车工业

20世纪50年代中期，钛材已经率先应用于汽车工业。通用公司用涡轮机驱动的试验型车即火鸟2号的外壳全都是采用钛制造的。从那时起，挤进巨大的汽车工业市场一直是钛工业的长远目标。随着对汽车节能环保的要求日益提高，汽车需要在减重的同时提高性能。钛合金具有高的比强度和优异的抗腐蚀性，从而钛材是汽车行业的首选材料。可是，钛的价格高，这是制约其在汽车工业中广泛应用的一个主要因素。不过，人们希望能够大规模工业化生产的钛材的价格能下降到航空钛的1/2或1/3，这将为钛的汽车工业的应用提供新的契机。

2、海洋工程

舰船及其某些设备部件如船体、热交换器、泵、阀、管线等长期浸泡在海水中,极易受到海水腐蚀。钛材可以解决由于腐蚀/冲蚀引起的海底管道泄露和海洋生物引起的舰船故障等问题,它不但具有优异的耐海水腐蚀性能,而且可以减轻舰船重量,减少维修费用,延长使用寿命。在能源紧缺的情况下,从近海到深海,世界许多国家都在开发海洋,利用海洋,而钛材优异的性能可以很好地满足人们在海洋工程方面应用的要求,因而应用领域十分广泛,预计海洋工程用钛有望成为钛材的一个较大的应用市场。

3、医学领域

钛材具有高强度、低密度、无毒性以及良好的生物相容性和腐蚀性等特性已被用于医学领域中，成为人工关节、骨创伤、脊柱矫形内固定系统、牙种植体、人工心脏瓣膜、介入性心血管支架、手术器械等医用产品的首先材料。目前，在世界范围内，每年有超过1000t不同的钛合金被植入人体内。随着各国经济和医疗事业的发展，人民生活水平的提高，需要进行肢体矫正、整容手术的人越来越多，钛作为已知生物性能最好的金属材料，在医学领域具有广阔的应用前景。

4.计算机

钛具有重量轻、无金属过敏性,可循环利用等优良特性,因此,在计算机上的应用日益增多。钛在计算机上的主要应用为计算机外壳和硬盘盘片，钛比传统的计算机外壳材料金属镁的拉伸强度高出许多,导热率仅为镁的1/10。用钛作计算机外壳,在保证强度水平的情况下,壁可以较薄,且可以防止硬件热量扩散造成的底面发热。IBM公司的ThinkpadA系列和T系列的笔记本电脑外壳使用了钛材,不但提高了机壳的强度和抗震性能,而且可使电脑更薄、更轻。

计算机硬盘用钛合金(主要是Ti一3Al一2.5V)比铝合金和玻璃硬盘有更多的优越性,如强度高,可减少盘片厚度,提高存储密度和转速；表面光洁度高,可减少读写磁头与磁盘的距离,提高存储密度；铁盘片还具有损坏容许极限高，表面硬度高等特点。此外,钛还可以用于计算机鼠标的指示器和显卡。最近几年,计算机工业发展迅速,普及很快，随着信息产业的高速发展和市场的剧烈竞争,钛用于计算机将会有较好的应用市场。

5.体育用品

钛自行车特别适合作竞技用车,赛车用自行车的重量减轻1g,即可争取千分之一秒的时间。美国Litespeed钛部件公司制造的自行车架平均重量为l.5kg,不但重量轻,而且使用更灵活,寿命更长。受自行车用钛的启发,钛开始用于轮椅制造业。最近几年,钛制造的轮椅或轮椅部件有增长的趋势。登山用具要容易携带、安全耐用，而比重轻、比强度大的钛材,作为优秀的登山用具材料,日益广泛使用。登山杖、棍、鞋底钉及其它登山工具以及与登山密不可分的滑雪用具如滑动板、滑雪操纵杆等也可以用钛制造。此外,钛也可用于网球、羽毛球球拍、高尔夫球棒、球头、台球杆、击剑面罩等。

总之,随着社会的发展,人们的生活水平也发生了质的变化。除专业竞技运动员外,更多的普通群众也开始热衷于运动健身,享受运动带来的快乐,且对运动用具的要求也越来越高，高品质的钛体育用品给更多的人们带来了高品质的生活享受。随着人们对钛体育用品的了解和认识,更多的人或家庭会拥有或者准备拥有钛制造的运动用具,因此,未来钛体育用品市场潜力巨大。

6.消费品

手机:钛用于手机主要是用作外壳，用钛做外壳的手机外观漂亮、手感好，著名手机制造商诺基亚和明基都生产出钛金属外壳手机。眼镜架:用来制作眼镜架的材料需要重量轻,韧性好,这样在稍微用力拉或压时,在镜片中心不会出现变位变形,否则,戴眼镜者会有不适感。钛眼镜架质轻、强度高、耐蚀性好,又不发生皮肤过敏。随着人们生活水平的提高及制作水平的提高,钛眼镜架的需求将会成倍增加。此外,近年钛手表、首饰、宝剑、笔筒、钛版画、鱼杆等用钛量也比较可观。

7.地热工业

地热工业环境温度高且含有大量氧化性氯化物,这种热、氧化性氯化条件可引起不锈钢或镍基合金出现局部侵蚀,使用钛材,就可以很好地解决这类问题。总最近几年,由于能源紧缺,许多国家和地区都致力于地热开发综合利用，从性能、维修、成本和安全等多种因素综合考虑,钛是地热开发比较理想的材料。随着低成本新合金的出现及加工技术的不断发展,钛在地热工业的应用必将会增加。