鈦、鈮、鉭

鈦是一種化學(xué)元素，化學(xué)符號(hào)Ti，原子序數(shù)22，在化學(xué)元素周期表中位于第4周期、第IVB族。是一種銀白色的過(guò)渡金屬，其特征為重量輕、強(qiáng)度高、具金屬光澤，耐濕氯氣腐蝕。但鈦不能應(yīng)用于干氯氣中，即使是溫度0℃以下的干氯氣，也會(huì)發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，生成四氯化鈦，再分解生成二氯化鈦，甚至燃燒。只有當(dāng)氯氣中的含水量高于0.5%的時(shí)候，鈦在其中才能保持可靠的穩(wěn)定性。

鈦被認(rèn)為是一種稀有金屬，這是由于在自然界中其存在分散并難于提取。但其相對(duì)豐富，在所有元素中居第十位。鈦的礦石主要有鈦鐵礦及金紅石，廣布于地殼及巖石圈之中。鈦亦同時(shí)存在于幾乎所有生物、巖石、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。鈦常見(jiàn)的化合物是二氧化鈦，可用于制造白色顏料。其他化合物還包括四氯化鈦(TiCl4)（作催化劑和用于制造煙幕作空中掩護(hù)）及三氯化鈦（TiCl3)（用于催化聚丙烯的生產(chǎn)）。

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從發(fā)現(xiàn)鈦元素到制得純品，歷時(shí)一百多年。而鈦真正得到利用，認(rèn)識(shí)其本來(lái)的真面目，則是20世紀(jì)40年代以后的事情了。

地球表面十公里厚的地層中，含鈦達(dá)千分之六，比銅多61倍，在地殼中的含量排第十位（地殼中元素排行：氧、硅、鋁、鐵、鈣、鈉、鉀、鎂、氫、鈦），隨便從地下抓起一把泥土，其中都含有千分之幾的鈦，世界上儲(chǔ)量超過(guò)一千萬(wàn)噸的 鈦礦并不稀罕。

地球上有成億噸的砂石，鈦和 鋯這兩種比砂石重的 礦物，就混雜在砂石中，經(jīng)過(guò)海水千百萬(wàn)年晝夜不停地淘洗，把比較重的 鈦鐵礦和 鋯英砂礦沖在一起，在漫長(zhǎng)的海岸邊，形成了一片一片的鈦礦層和鋯礦層。這種礦層是一種黑色的砂子，通常有幾厘米到幾十厘米厚。鈦沒(méi)有磁性，用鈦建造的 核潛艇不必?fù)?dān)心磁性 水雷的攻擊。

1947年，人們才開(kāi)始在工廠(chǎng)里冶煉鈦。當(dāng)年，產(chǎn)量只有2噸。1955年產(chǎn)量激增到2萬(wàn)噸。1972年，年產(chǎn)量達(dá)到了 20萬(wàn)噸。鈦的 屈服強(qiáng)度比鋼鐵要高，而它的重量幾乎只有同體積的鋼鐵的一半，鈦雖然稍稍比鋁重一點(diǎn)，它的屈服強(qiáng)度卻比鋁大2倍。鈦的比強(qiáng)度高于鋁和鋼，比模量與鋁、鋼十分接近。在 宇宙火箭和導(dǎo)彈中，就大量用鈦代替鋼鐵。據(jù)統(tǒng)計(jì)， 世界上每年用于宇宙航行的鈦，已達(dá)一千噸以上。極細(xì)的鈦粉，還是火箭的好燃料，所以鈦被譽(yù)為宇宙金屬，空間金屬。

鈦在高溫下極易和空氣發(fā)生反應(yīng)，但熔點(diǎn)高達(dá)1668℃。在常溫下，鈦不怕王水和稀硝酸腐蝕，但不耐5%以上硫酸腐蝕和7%鹽酸腐蝕。鈦不怕常溫海水，有人曾把一塊鈦沉到海底，五年以后取上來(lái)一看，上面粘了許多小動(dòng)物與海底植物，卻一點(diǎn)也沒(méi)有生銹，依舊亮閃閃的。

人們開(kāi)始用鈦來(lái)制造潛艇——鈦 潛艇。由于鈦非常結(jié)實(shí)，能承受很高的壓力，這種潛艇可以在深達(dá)4500米的深海中航行。

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鈦是一種化學(xué)元素，化學(xué)符號(hào)Ti，原子序數(shù)22，是一種銀白色的 過(guò)渡金屬，其特征為重量輕、強(qiáng)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）。由于其穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，良好的耐高溫、耐低溫、抗強(qiáng)酸、抗強(qiáng)堿，以及高強(qiáng)度、低密度，被美譽(yù)為“太空金屬”[2]。鈦于1791年由 格雷戈?duì)枺╓illiam Gregor）于英國(guó) 康沃爾郡發(fā)現(xiàn)，并由 克拉普羅特（Martin Heinrich Klaproth）用希臘神話(huà)的 泰坦為其命名。

鈦被認(rèn)為是一種稀有金屬，這是由于在自然界中其存在分散并難于提取。但其相對(duì)豐度在所有元素中居第十位。[3]鈦的礦石主要有 鈦鐵礦及 金紅石，廣布于地殼及 巖石圈之中。鈦亦同時(shí)存在于幾乎所有生物、巖石、水體及土壤中[4]。從主要礦石中萃取出鈦需要用到克羅爾法[5]或亨特法。鈦常見(jiàn)的化合物， 二氧化鈦可用于制造白色顏料[6]。其他化合物還包括 四氯化鈦(TiCl ）（作催化劑及用于制造 煙幕或空中文字）及 三氯化鈦（TiCl ）（用于催化 聚丙烯的生產(chǎn)）[4]。

鈦能與 鐵、 鋁、 釩或 鉬等其他元素熔成合金，造出高強(qiáng)度的輕合金，在各方面有著廣泛的應(yīng)用，包括航天（ 噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、導(dǎo)彈及 航天器）、軍事、工業(yè)程序（化工與石油制品、 海水淡化及造紙）、汽車(chē)、農(nóng)產(chǎn)食品、醫(yī)學(xué)（義肢、骨科移植及牙科器械與填充物）、運(yùn)動(dòng)用品、珠寶及手機(jī)等等。[4]。

鈦有用的兩個(gè)特性是，抗腐蝕性，及金屬中高的強(qiáng)度－重量比[7]。在非合金的狀態(tài)下，鈦的強(qiáng)度跟某些鋼相若，但卻還要輕45%[8]。有兩種 同素異形體[9]和五種天然的 同位素，由Ti到Ti，其中 豐度高的是Ti(73.8%)[10]。鈦的化學(xué)性質(zhì)及物理性質(zhì)和 鋯相似，這是因?yàn)閮烧叩?價(jià)電子數(shù)目相同，并于 元素周期表中同屬一族。

在地殼中，鈦的儲(chǔ)量?jī)H次于鐵、鋁、鎂，居第四位。由于鈦具有熔點(diǎn)高、比重小、比強(qiáng)度高、韌性好、抗疲勞、耐腐蝕、導(dǎo)熱系數(shù)低、高低溫度耐受性能好、在急冷急熱條件下應(yīng)力小等特點(diǎn)，其商業(yè)價(jià)值在二十世紀(jì)五十年代開(kāi)始被人們認(rèn)識(shí)，被應(yīng)用于航空、航天等高科技領(lǐng)域。隨著不斷向化工、石油、電力、海水淡化、建筑、日常生活用品等行業(yè)推廣，鈦金屬日益被人們重視，被譽(yù)為“現(xiàn)代金屬”和“戰(zhàn)略金屬”，是提高國(guó)防裝備水平不可或缺的重要戰(zhàn)略物資。

衡量一個(gè)國(guó)家鈦工業(yè)規(guī)模有兩個(gè)重要指標(biāo)：海綿鈦產(chǎn)量和鈦材產(chǎn)量，其中海綿鈦產(chǎn)量反映原料生產(chǎn)能力，鈦材產(chǎn)量反映的是深加工能力。鈦工業(yè)已形成中國(guó)、美國(guó)、獨(dú)聯(lián)體、日本和歐洲五大生產(chǎn)和消費(fèi)主體。

中國(guó)鈦工業(yè)于1954年起步，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究、工業(yè)化生產(chǎn)的定點(diǎn)布局、應(yīng)用推廣和不斷的技術(shù)進(jìn)步逐步發(fā)展起來(lái)。特別是21世紀(jì)以來(lái)，在國(guó)家需求的拉動(dòng)下，在改革開(kāi)放政策的推動(dòng)下，中國(guó)鈦工業(yè)更是突飛猛進(jìn)。

2011年是我國(guó)“十二五”規(guī)劃的年，在這一年里，我國(guó)海綿鈦和鈦加工材的產(chǎn)量繼續(xù)慣性增長(zhǎng)。根據(jù)中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)鈦鋯鉿分會(huì)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)14家海綿鈦生產(chǎn)企業(yè)2011年總產(chǎn)量為64952t，同比增加了12.4%。根據(jù)30家企業(yè)的統(tǒng)計(jì)，2011年中國(guó)共生產(chǎn)鈦加工材50962t，同比增長(zhǎng)33.0%。

4歷史簡(jiǎn)介

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種發(fā)現(xiàn)的鈦礦石是一種黑色沙子叫做鈦鐵砂，是由Reverend William Gregor在康沃爾于1791年發(fā)現(xiàn)的。他分析了它并推斷其是由鐵和一種未知金屬的氧化物組成，并報(bào)告給了康沃爾的皇家地質(zhì)學(xué)會(huì)。

在1795年，德國(guó)柏林的科學(xué)家Martin Heinrich Klaproth研究了一種來(lái)自匈牙利的叫做Sch?rl的紅色礦石。這是金紅石（TiO ）的一種形式，而且Klaproth意識(shí)到它一種以前未知元素的氧化物，他命名為titanium（鈦）。當(dāng)他被告知Gregor的發(fā)現(xiàn)時(shí)，他研究了鈦鐵砂并確認(rèn)了它也包含鈦。

直到1910年，工作于美國(guó)通用電氣的M. A. Hunter才制造出了純凈的鈦金屬，由加熱四氯化鈦和鈉金屬實(shí)現(xiàn)。

5物理性質(zhì)

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鈦是鋼與合金中重要的合金元素，鈦的密度為4.506-4.516克/立方厘米（20℃），高于鋁而低于 鐵、銅、鎳。但 比強(qiáng)度 位于金屬之首。熔點(diǎn)1668±4℃，熔化潛熱3.7-5.0千卡/克原子，沸點(diǎn)3260±20℃，汽化潛熱102.5-112.5千卡/克原子，臨界溫度4350℃， 臨界壓力1130大氣壓。鈦的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性能較差，近似或略低于不銹鋼，鈦具有超導(dǎo)性，純鈦的 超導(dǎo)臨界溫度為 0.38-0.4K。在25℃時(shí)，鈦的熱容為0.126卡/克原子·度，熱焓1149卡/克原子，熵為7.33卡/克原子·度，金屬鈦是 順磁性物質(zhì)，導(dǎo)磁率為1.00004。

鈦具有可塑性， 高純鈦的延伸率可達(dá)50-60%，斷面收縮率可達(dá)70-80%， 但收縮強(qiáng)度低（即收縮時(shí)產(chǎn)生的力 度），不宜作 結(jié)構(gòu)材料。鈦中雜質(zhì)的存在，對(duì)其 機(jī)械性能影響極大，特別是間隙雜質(zhì)（氧、氮、碳）可大大提高鈦的強(qiáng)度，顯著降低其塑性。鈦?zhàn)鳛榻Y(jié)構(gòu)材料所具有的良好機(jī)械性能，就是通過(guò)嚴(yán)格控制其中適當(dāng)?shù)碾s質(zhì)含量和添加 合金元素而達(dá)到的。

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