1、钛 史哈尔滨工业大学工科大学化学论文院系：航天学院航天工程与力学系姓名：学号：手机：钛 史王法瑞学院：航天学院 专业：飞行器设计与工程专业 学号：手机号： 邮箱：摘要：钛因其优异的性能被誉为“空间金属” ，其实钛及含钛化合物的用途远不止航空航天。本文简单介绍了钛及几种钛合金的性质，钛的发现，冶炼历史，冶炼方法和钛及含钛化合物的应用。关键字：钛元素；发现；冶炼；应用；历史1、引言钛，一种令人着迷的元素，一种令军迷疯狂的金属，因其独特优异的性能被用在各种各样的兵器上。说到这里可能大家最先想到的是航天领域，是的，被誉为“空间金属”的钛在航天领域起着重要作用。其实，无论是驰骋于陆地的战车，踏浪于水面的
2、巨舰，潜行于海底的潜艇或是翱翔于天空的战机都需它的鼎力支持。好东西自然先军用而后民用，钛在民用方面也大有作为。在石油工业中钛合金被用来制造各种容器、反应器、热交换器、蒸馏塔、管道、泵和阀等。在发电厂中钛可用作电极和冷凝器以及环境污染控制装置。钛镍形状记忆合金在仪器仪表上已广泛应用。在医疗中，钛可作人造骨头和各种器具。钛还是炼钢的脱氧剂和不锈钢以及合金钢的组元。钛白粉是颜料和油漆的良好原料。碳化钛，碳（氢）化钛是新型硬质合金材料。氮化钛颜色近于黄金，在装饰方面应用广泛。既然钛元素这么迷人，下面就让我们一起详细了解一下钛单质以及钛合金的结构、性质和发现、冶炼、应用的历史吧！2、性质简介（1）钛单质
3、的结构性质1原子结构钛位于元素周期表中B 族，原子序数为 22，原子核由 22 个质子和 20-32 个中子组成，核外电子结构排列为 1S2 2S2 2P6 3S2 3P6 3D2 4S2。原子核半径 5x10-13 厘米。 【1】2物理性质在金属元素中，钛的比强度很高。它是一种高强度但低质量的金属，而且具有相当好的延展性（尤其是在无氧的环境下） 。钛的表面呈银白色金属光泽。它的熔点相对地高（超过1,649 摄氏度） ，所以是良好的耐火金属材料。它具有顺磁性，其电导率及热导率皆甚低。【2】商业等级的钛（纯度为 99.2%）具有约为 434 兆帕斯卡的极限抗拉强度，与低等级的钢合金相若，但比钢合
4、金要轻 45%。钛的密度比铝高 60%，但强度是常见的 6061-T6 铝合金的两倍。钛可被用于各种用途。某些钛合金（例如 C）的抗拉强度达 1,400 帕斯卡。然而，当钛被加热至 430 摄氏度以上时，强度会减弱。 【2】它具有相当的硬度，尽管比不上高等级的热处理钢。它不具磁性，同时是不良的导热及导电体。用机械处理时需要注意，因为如不采用锋利的器具及适当的冷却手法，钛会软化，并留有压痕。像钢结构体一样，钛结构体也有疲劳极限，因此在某些应用上可保证持久耐用。钛合金的比劲度一般不如铝合金及碳纤维等其他物料，所以较少应用于需要高刚度的结构上。 【2】钛是一种双型的同素异形体，在 882 摄氏度时，
5、就会从六边形的 型转变成体心立方（晶格）的 型。在到达临界温度前， 型的比热会随着升温而暴增，但到达后会下降，然后在 型下不论温度地保持基本恒定。跟锆和铪类似，钛还存在一种 态，在高压时热力学稳定，但也可能在常压下以介稳态存在。此态一般是六边形（理想）或三角形（扭曲） ，在软性纵波声频光子导致 型(111)原子平面倒塌时能被观测到。 【2】3化学性质钛的特性中，最为人称道的就是它优良的抗腐蚀能力它的抗蚀性几乎跟铂一样好，钛不受稀硫酸、稀盐酸、氯气、氯溶液及大部份有机酸的腐蚀，但仍可被浓酸溶解。虽然以下的 电位-pH 图指出钛在热力学上是一种活性很高的金属，但是它与水及空气的反应是非常缓慢的。钛
6、在曝露在高温空气中时，会生成一层钝氧化物保护膜，阻止氧化持续。在最初形成时，保护层只有一至二纳米厚，但会缓慢地持续增厚；四年间可达 25 纳米厚。但当钛被置于高温空气中时，便很容易与氧产生反应。 【2】这个反应在空气温度达 1200 摄氏度时便会发生，而在纯氧中最低只需 610 摄氏度，生成二氧化钛。因此不能在空气中熔掉钛，因为在到达熔点前钛会先燃烧起来，所以只能在惰性气体或真空中熔化钛。在 550 摄氏度时，钛会与氯气结合。钛亦会与其他卤素结合，并吸收氢气。钛也是少数会在纯氮气中燃烧的元素，达 800 摄氏度就会燃烧起来，生成一氮化钛，导致脆化。 【2】（2）钛合金的性质1 钛合金 钛合金是
7、 相固溶体组成的单相合金，不论是在一般温度下还是在较高的实际应用温度下，均是 相，组织稳定，耐磨性高于纯钛，抗氧化能力强。在 500600的温度下，仍保持其强度和抗蠕变性能，但不能进行热处理强化，室温强度不高。2 钛合金 钛合金是 相固溶体组成的单相合金，未热处理即具有较高的强度，淬火、时效后合金得到进一步强化，室温强度可达 13721666 MPa；但热稳定性较差，不宜在高温下使用。3+ 钛合金+ 钛合金是双相合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能进行淬火、时效使合金强化。热处理后的强度约比退火状态提高 50%100%；高温强度高
8、，可在 400500的温度下长期工作，其热稳定性次于 钛合金。三种钛合金中最常用的是 钛合金和 + 钛合金； 钛合金的切削加工性最好，+ 钛合金次之， 钛合金最差。 钛合金代号为 TA， 钛合金代号为 TB，+ 钛合金代号为 TC。 3、发现冶炼历史1791 年英格兰的业余矿物学家格雷戈尔（Reverend William Gregor）在英格兰的康沃尔郡发现了含钛矿物。当时他在一条小溪旁找到了一些可以被磁铁吸引的黑沙，经过他的分析，沙中含有两种金属氧化物。一种是氧化铁（黑沙被磁铁吸引的原因） ，另一种白色氧化物他无法辨识，他意识到这种未被辨识的氧化物含有一种未被发现的金属。格雷戈尔对康沃尔郡
9、皇家地质学会公布了他的发现，并在德国的化学年刊上发表了这次发现。几乎就在同时米勒冯赖兴斯泰因（Franz-Joseph Mller von Reichenstein）也制出了类似的物质，但也无法辨识它。1795 年德国化学家克拉普罗特（Martin Heinrich Klaproth）从金红石中再度发现了这种氧化物，并发现它含有一中新的物质。他将这种新物质命名为泰坦（Titans） 。1910 年美国伦斯勒理工学院的亨特（Matthew A. Hunter）将四氯化钛和钠一起加热至700800 摄氏度，提炼出高纯度的钛，这种方法被称为亨特法。 【3】1925 年范亚克（Anton Eduard
10、 van Arkel）及德波耳（Jan Hendrik de Boer）发现了晶棒法（又称碘法） ，即与碘反应后再用热灯丝从蒸气中分离出纯金属，利用这个方法可生产出少量的超纯钛。1940 年克罗尔（William Justin Kroll）用镁还原TiCl4 成功地制取了海绵钛, 在用水冷铜坩埚在氩气中电弧熔炼, 获得了具有可煅性的金属纯钛.从此克劳尔法便奠定钛了工业生产的基础。 【3】4、冶炼方法（1）制取二氧化钛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 + F
11、eSO4 + 3H2OFeTiO3 + 2H2SO4 = TiOSO4 + FeSO4 + 2H2OFeO + H2SO4 = FeSO4+ H2OFe2O3 + 3H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 3H2O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 FeSO47H2O(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 + H2SO4TiOSO4 + 2H2O = H2TiO3 + H2SO4锻烧偏钛酸即制得二氧化钛：H2Ti
12、O3 TiO2+ H2O【3】（2）制取海绵钛工业上制金属钛采用金属热还原法还原四氯化钛。将 TiO22(或天然的金红石)和炭粉混加热至 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。 【3】5、钛及含钛化合物的应用（1）钛-铝基合金Ti-Al 基合金主要用于制造航空航天器的部件。美国 GE 公司已采用 Ti3Al 基合金取代镍基合金制成了
13、航空发动机的高压涡轮定子支撑轴，高压压气机机匣和加力燃烧室扩张型喷管封口；利用高强高韧的 Ti2AlNb 基（O 相）合金复合材料制成了航空发动机后级压气机转子。 【4】北京钢铁研究所总院也研制了多种型号的 Ti-Al 基合金。其中 TAC-1B 合金制作的零件成功参加了神舟号飞船的飞行，利用 TD2 合金制成的航空发动机涡轮导气板也成功经受了发动机试车考验。我国的 Ti2AlNb 基（O 相）合金正在完成从实验室向工业化生产的转变，也能指出成分准确、合金元素分布均匀的大型合金铸锭。 【4】（2）钛-镍基合金Ti-Ni 合金具有形状记忆效应，其经过一定的特殊处理后，可以“记忆”住高温时的形状，
14、又可以“记忆”住低温时的形状。当温度在高温和低温之间往返变化时，Ti-Ni 合金会自行在两种形状之间变换。在 Ti-51Ni（摩尔分数）合金中发现了全方位记忆效应，即可以“记忆”住有低温到高温不同温度下的不同形状，并在冷热循环中可以重复出现。Ti-Ni 基合金具有独特的形状记忆效应（SME）和超弹性效应，可以制作成小巧玲珑、高度自动化、性能可靠的元器件，目前已广泛应用于电子仪器、通讯、汽车工业、医疗器械、航空航天、和能源开发领域。TiNi 合金已成功地应用于矫形外科、颌面外科、正畸牙科、脑科、骨科、胸科等。Ti-Ni 形状记忆合金在工程上的应用日益广泛，已普遍用于管接头和紧固件。1986 年，
15、美国Raychen 公司研制出 Ti-Ni-Nb 宽滞后合金，用这种合金制成的管接头和解固件可在室温下储存、运输，工程应用方便，可广泛应用与航空航天、海上石油开采和电缆通讯等领域。【5】（3）钛-铁基合金钛铁合金是常用储氢合金，使用寿命可达 25000 次以上，并保持性能不变。美国科学院的比林斯（R.E.Billings）博士于 1992 年发明的氢燃料电池汽车使用了钛铁锰合金储氢罐，一次充氢可行驶 500km 以上。每台燃料电池轿车用钛铁锰合金 125kg，这种轿车在 1998 年后实现了商业化生车。由于这种储氢罐比较安全，即使被穿甲弹打中也不会爆炸，因此用这种方式储氢比较合适。 【6】（4
16、）钛白粉和二氧化钛二氧化钛是世界上最白的东西， l 克二氧化钛可以把 450 多平方厘米的面积涂得雪白。它比常用的白颜料一锌钡白还要白 5 倍，因此是最好的白色颜料。世界上用作颜料的二氧化钛，一年多到几十万吨。二氧化钛可以加在纸里，使纸变白并且不透明，效果比其他物质大 10 倍，因此，钞票纸和美术品用纸就要加二氧化钛。此外，为了使塑料的颜色变浅，使人造丝光泽柔和，有时也要添加二氧化钛。在橡胶工业上，二氧化钛还被用作为白色橡胶的填料。二氧化钛的熔点也很高，还被用来制造耐火玻璃，釉料，珐琅、陶土、耐高温的实验器皿等。 【7】参考文献【1】 工科大学化学.高等教育出版社.第二版.元素周期表【2】维基百科 http:/zh.wikipedia.org/wiki/%E9%92%9B#cite_note-Barksdale1968p738-7 【3】庾晋 周洁.金属钛的性能、发展与应用.南方金属.2003 年,136 期：18 页-19 页【4】罗远辉 刘长河 王武育等.钛化合物.冶金工业出版社.2011 年,11 页-12 页【5】罗远辉 刘长河 王武育等.钛化合物.冶金工业出版社.2011 年,12 页-18 页【6】罗远辉 刘长河 王武育等.钛化合物.冶金工业出版社.2011 年,18 页-19 页【7】http:/
