關於金屬鈦及其合金的自述
電控學院 12023114 魏行
引言：在當今科學技術中，金屬鈦和鈦合金的應用已經越來越廣泛，鈦合金已經成為了一種必不可少的新型應用材料。
鈦是20世紀50年代發展起來的一種重要的結構金屬，鈦合金因具有強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點而被廣泛用於各個領域。世界上許多國家都認識到鈦合金材料的重要性，相繼對其進行研究開發，並得到了實際應用。20世紀50～60年代，主要是發展航空發動機用的高溫鈦合金和機體用的結構鈦合金，70年代開發出一批耐蝕鈦合金，80年代以來，耐蝕鈦合金和高強鈦合金得到進一步發展。
鈦合金主要用於製作飛機發動機壓氣機部件，其次為火箭、飛彈和高速飛機的結構件
正文：鈦是一種化學元素，化學符號ti，原子序數22，是一種銀白色的過渡金屬，其特徵為重量輕、強度高、具金屬光澤，亦有良好的抗腐蝕能力（包括海水、王水及氯氣）。由於其穩定的化學性質，良好的耐高溫、耐低溫、抗強酸、抗強鹼，以及高強度、低密度，被美譽為「太空金屬」。
鈦於2023年由格雷戈爾於英國康沃爾郡發現，並由克拉普羅特用希臘神話的泰坦為其命名。
鈦被認為是一種稀有金屬，這是由於在自然界中其存在分散並難於提取。但其相對豐度在所有元素中居第十位。鈦的礦石主要有鈦鐵礦及金紅石，廣布於地殼及岩石圈之中。
鈦亦同時存在於幾乎所有生物、岩石、水體及土壤中。從主要礦石中萃取出鈦需要用到克羅爾法或亨特法。鈦最常見的化合物是二氧化鈦，可用於製造白色顏料[6]。
其他化合物還包括四氯化鈦(ticl4)（作催化劑及用於製造煙幕或空中文字）及三氯化鈦（ticl3)（用於催化聚丙烯的生產）。
鈦能與鐵、鋁、釩或鉬等其他元素熔成合金，造出高強度的輕合金，在各方面有著廣泛的應用，包括航天（噴氣發動機、飛彈及太空飛行器）、軍事、工業程式（化工與石油製品、海水淡化及造紙）、汽車、農產食品、醫學（義肢、骨科移植及牙科器械與填充物）、運動用品、珠寶及手機等等。
鈦最有用的兩個特性是，抗腐蝕性，及金屬中最高的強度－重量比。在非合金的狀態下，鈦的強度跟某些鋼相若，但卻還要輕45%，有兩種同素異形體和五種天然的同位素，由46ti到50ti，其中豐度最高的是48ti(73.8%)。
鈦的化學性質及物理性質和鋯相似，這是因為兩者的價電子數目相同，並於元素週期表中同屬一族。
特性：一、物理性質：
在金屬元素中，鈦的比強度很高。它是一種高強度但低質量的金屬，而且具有相當好的延展性（尤其是在無氧的環境下）。鈦的表面呈銀白色金屬光澤。
它的熔點相對地高（超過1,649攝氏度），所以是良好的耐火金屬材料。它具有順磁性，其電導率及熱導率皆甚低。
商業等級的鈦（純度為99.2%）具有約為434兆帕斯卡的極限抗拉強度，與低等級的鋼合金相若，但比鋼合金要輕45%。鈦的密度比鋁高60%，但強度是常見的6061-t6鋁合金的兩倍。
鈦可被用於各種用途。某些鈦合金（例如βc）的抗拉強度達1,400帕斯卡。然而，當鈦被加熱至430攝氏度以上時，強度會減弱]。
它具有相當的硬度，儘管比不上高等級的熱處理鋼。它不具磁性，同時是不良的導熱及導電體。用機械處理時需要注意，因為如不採用鋒利的器具及適當的冷卻手法，鈦會軟化，並留有壓痕。
像鋼結構體一樣，鈦結構體也有疲勞極限，因此在某些應用上可保證持久耐用。鈦合金的比勁度一般不如鋁合金及碳纖維等其他物料，所以較少應用於需要高剛度的結構上。
鈦是一種雙型的同素異形體，在882攝氏度時，就會從六邊形的α型轉變成體心立方（晶格）的β型。在到達臨界溫度前，α型的比熱會隨著公升溫而暴增，但到達後會下降，然後在β型下不論溫度地保持基本恆定。跟鋯和鉿類似，鈦還存在一種ω態，在高壓時熱力學穩定，但也可能在常壓下以介穩態存在。
此態一般是六邊形（理想）或三角形（扭曲），在軟性縱波聲頻光子導致β型(111)原子平面倒塌時能被觀測到。
二、化學性質：
鈦的特性中，最為人稱道的就是它優良的抗腐蝕能力，它的抗蝕性幾乎跟鉑一樣好，鈦不受稀硫酸、稀鹽酸、氯氣、氯溶液及大部份有機酸的腐蝕，但仍可被濃酸溶解。雖然以下的電位-ph圖指出鈦在熱力學上是一種活性很高的金屬，但是它與水及空氣的反應是非常緩慢的。
鈦在曝露在高溫空氣中時，會生成一層鈍氧化物保護膜，阻止氧化持續。在最初形成時，保護層只有一至二奈米厚，但會緩慢地持續增厚；四年間可達25奈米厚。但當鈦被置於高溫空氣中時，便很容易與氧產生反應。
這個反應在空氣溫度達1200攝氏度時便會發生，而在純氧中最低只需610攝氏度，生成二氧化鈦。因此不能在空氣中熔掉鈦，因為在到達熔點前鈦會先燃燒起來，所以只能在惰性氣體或真空中熔化鈦。在550攝氏度時，鈦會與氯氣結合。
鈦亦會與其他鹵素結合，並吸收氫氣。
鈦也是少數會在純氮氣中燃燒的元素，達800攝氏度就會燃燒起來，生成一氮化鈦，導致脆化。
實驗指出，天然鈦在受到氘核轟擊後會具有放射性，主要釋放出正電子及硬性γ射線。
鈦的氧化物、鈦合金及其應用：
鈦是鋼的一種合金用元素（鈦鐵），鈦會縮小鋼的晶粒大小，同時作為脫氧劑的鈦會減低鋼的含氧量；在不鏽鋼中加鈦會減低含碳量。鈦常與其他金屬製成合金，這些金屬有鋁（改良晶粒大小）、釩、銅（硬化）、鎂及鉬等。鈦的機械製品（片、板、管、線、鍛件、鑄件）在工業、航天、休閒及新興市場上都有應用。
鈦粉在煙火製造上用於提供明亮的燃燒顆粒。
1：顏料、新增劑及塗料：
二氧化鈦是最常用的鈦化合物
從地球表面被開採的鈦礦石中，約95%都被送往提煉成二氧化鈦(tio2)，一種超白的持久顏料，被用於製造塗料、紙張、牙膏及塑膠[51]。二氧化鈦也被用於水泥、寶石、造紙用遮光劑及石墨復合魚桿、高爾夫球杆的強化劑。
粉末狀的tio2化學上具惰性，陽光下不褪色，而且很不透光：就是這些性質，使得它能夠為製造家用塑膠的灰色或棕色化學品帶來艷麗的純白色。在自然中，二氧化鈦這種化合物可在銳鈦礦、板鈦礦及金紅石這幾種礦物中找到。
用二氧化鈦製成的塗料能夠耐高溫，輕度阻止塵汙積聚，及抵受海洋環境帶來的影響。純二氧化鈦的折射率非常高，而且對光學色散能力比鑽石還高。除了作為一種很重要的顏料之外，防曬油也要用到二氧化鈦，因為它本身就能保護**。
最近，它還被用在空氣淨化器（過濾器塗層），及貼在建築物窗上的薄膜，這種薄膜在接觸到紫外線（太陽或人工）或空氣中的水份時，會產生帶高度活性的氧化還原物種，如羥基，能淨化空氣或保持窗面清潔。
2：航天及航海：
由於它的高抗拉強度－密度比、優良的抗腐蝕性、抗疲乏性、抗裂痕性及能夠在沒有蠕變的情況下抵受適度高溫，鈦合金被用於航空器、裝甲敷板、海**只、太空飛行器與飛彈。在這些應用中，鈦與鋁、釩及其他元素所製成的合金，用於製造各種元件，包括關鍵的架構部件、防火牆、起落架、排氣管（***）及液壓系統。事實上，約三分二的鈦金屬生產量被用於製造太空飛行器引擎及構架。
sr-71「黑鳥」是最早在架構上廣泛使用鈦的機體，為現代軍用及商用機體的鈦應用鋪好了路。據估計，生產波音777要用59噸鈦，波音747要44噸，波音737要18噸，空中巴士a340要32噸，空中巴士a330要18噸，空中巴士a320要12噸。空中巴士a380可能要用146噸，其中引擎要26噸。
在引擎應用上，鈦被用於轉子、壓縮機葉片、液壓系統元件及短艙。在航空應用的鈦合金中，鈦6al-4v佔幾乎50%。
由於不易被海水腐蝕，鈦被用於製造螺槳軸、索具及用於海水淡化廠的換熱器；還被用於鹹水水族館的冷熱水器、釣魚線及潛水用刀。鈦被用於製造海洋監視部署的住房及其他元件，及用於以及科學用或軍用的監察儀。前蘇聯研發出主要用鈦製造潛艇的技術。
總結：世界上已研製出的鈦合金有數百種，最著名的合金有20～30種，如ti-6al-4v、ti-5al-2.5sn、ti-2al-2.5zr、ti-32mo、ti-mo-ni、ti-pd、sp-700、ti-6242、ti-10-5-3、ti-1023、bt9、bt20、imi829、imi834等]。
據相關統計資料，2023年我國化工行業用鈦量達2.5萬噸，比2023年有所減少。這是自2023年以來，我國化工用鈦市場首次出現負增長。
近些年來，化工行業一直是鈦加工材最大的使用者，其用量在鈦材總用量的佔比一直保持在50%以上，2023年佔比高達55%。但隨著經濟陷入低迷期，化工行業不但新建專案明顯減少，同時還將面臨產業結構調整，部分產品新建產能受到控制，落後產能也將逐步淘汰的境地。受此影響，其對鈦加工材用量的萎縮也變得順理成章。
在此之前，便有業內人士**化工行業用鈦量在2013~2023年間達到峰值。以當前市場表現看來，2023年整體經濟的疲軟有可能使得化工用鈦的衰退期提前。
參考文獻：
百度百科：
維基百科：
張喜燕, 趙永慶, & 白晨光. (2005).鈦合金及應用(vol. 2, no. 0, p. 0). 化學工業出版社.
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李樑, 孫健科, 孟祥軍. 鈦合金的應用現狀及發展前景. 鈦工業進展, 2004, 21(5): 19-24.
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