哈工大大学化学论文-钛史

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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；历史一、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

2、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

3、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！二、性质简介（一）钛单质的结构性质1．原子结构钛位于元素周期表中ⅣB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1S22S22P63S23P63D24S2。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

4、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βC）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

5、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，就会从六边形的α型转变成体心立方（晶格）的β型。在到达临界温度前，α型的比热会随着升温而暴增，但到达后会下降，然后在β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ω态，在高压时热力学稳定，但

6、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β型(111)原子平面倒塌时能被观测到。【2】1．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

7、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】（一）钛合金的性质1．α钛合金α钛合金是α相固溶体组成的单相合金，不论是在一

8、般温度下还是在较高的实际应用温度下，均是α相，组织稳定，耐磨性高于纯钛，抗氧化能力强。在500℃～600℃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．β钛合金β钛合金是β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1372～1666MPa；但热稳定性较差，不宜在高温下使用。3．α+β钛合金α+β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