鈦的新應用及展望

 

鈦在建築、汽車、計算機等新興市場中的應用，並對鈦的新市場的發展前景進行了展望。從長遠來看，未來鈦新應用市場前景光明。

 

 

 

　　自從人類1790年發現鈦元素，1951年進入工業化生產以來，鈦逐漸顯示出它獨特的優越性能。它不僅具有金屬結構材料的優越性能，而且在許多工藝介質中具有優異的耐腐蝕性能。鈦的應用可以獲得明顯的技術進步和經濟效益。鈦的蘊藏量是銅的十倍，是繼鐵、鋁之後的“第三金屬”，被稱為“空間金屬”。

 

 

 

　　由於鈦所具有的壹系列優良性能，資源又很豐富，鈦的工業生產問世後，立即受到普遍高度重視。鈦的應用首先是從軍工和航空工業開始的。早在1951年美國就將鈦材用於飛機上，前蘇聯、英國的鈦材也主要用在軍事和航空領域。鈦材最早用於航空，航空市場壹直是鈦最主要的市場，目前仍占世界鈦市場總量的50%。上世紀70年代後，鈦的優良性能逐步在民用工業中得到普遍認識，在冶金、化工、電力等民用工業上的應用逐年增加，用量也穩步增長。

 

 

 

　　鈦的新應用

 

 

 

　　近年來，鈦在建築、汽車、計算機、裝甲、油氣開采、體育休閑用品等新應用領域不斷出現，並形成壹定的規模。

 

 

 

　　1.建築用鈦

 

 

 

　　鈦在許多建築應用領域中是壹種優異的可選擇材料，如在外部包覆、懸墻、屋頂包覆、蒸餾塔外層、頂蓋，內部包覆、燈具以及藝術雕塑品和紀念碑等。建築用鈦具有傑出的耐蝕性、高強度、輕重量和耐久性，比其它任何金屬的使用壽命都長，且不需要怎麽維修。因此從設計和開發來說，尤其是從壽命周期考慮，鈦是最實用的。

 

 

 

　　許多新的項目已列在規劃之中。如巴黎航空站已計劃在兩個大的世界級建築項目中使用鈦。鈦還被選擇用作北京國家大劇院(見圖1)和阿布紮比國際機場建築用橢圓形頂的材料，其中國家大劇院僅蒙皮材料估計就使用400噸鈦材;阿布紮比機場預計在屋頂、結構材料上的鈦材用量將達800噸。在該機場的建設中，鈦首次在結構建築中獲得應用。為滿足工程需要，阿布紮比機場將使用航空級鈦合金厚板做結構架，另外，機場外部還將用鈦嵌板和玻璃包覆。

 

 

 

　　鈦在歐美建築的應用中相對較新，但在日本的應用已有多年了，有百余個建築物都使用了鈦，使許多重汙染地區、都市和濱海地區的腐蝕問題得到了圓滿的解決。

 

 

 

　　2.汽車應用

 

 

 

　　汽車零部件使用鈦可使汽車重量大大減輕，降低燃料消耗，提高汽車工作效率，改善環境和降低噪音。據資料介紹，每降低10%的車體重量就可以減少10%廢氣排放量及節省7%的燃料消耗，因此汽車的輕量化將會起到“節能，環保”的雙重功效。鈦在汽車中的具體應用部位列於表1。

 

 

 

　　歐洲雪佛萊(Chevrolet)汽車公司高性能的2001 Corvette Z06型汽車上使用了鈦回氣管，使汽車減輕重量8.1千克，並明顯地提高了耐蝕性。2001 Corvette Z06型汽車，預計將生產6500輛。

 

 

 

　　用鈦制成的彈簧可比鋼彈簧減輕60%-70%的重量，在壹個典型的、美國造的、可乘坐5-6人的家用車中，通常使用4個鈦卷彈簧，每輛車就可減輕10千克左右的重量。美國鈦金屬公司(Timet)與德國大眾汽車公司於2001年1月宣布，大眾Lupo FSI的2001年型號車將使用鈦懸簧，大眾汽車公司預計生產了3500輛該型號車。這些是最近在汽車中大量使用鈦的例子。

 

 

 

　　使用鈦制排氣系統和懸掛彈簧可為設計者提供兩種最大減輕重量的方法，近來的這些突破已吸引了許多賽車、豪華小汽車、小型廂式載重車和卡車的生產商。隨著經濟的發展和汽車制造商提高燃料經濟性的需求，會有更多的工程設計人員將選擇鈦用做汽車零件，鈦最終將在汽車生產工業中占有重要的地位。

 

 

 

　　3.鈦在計算機上的應用

 

 

 

　　因鈦具有質量輕、無金屬過敏性、可循環利用等諸多優良特性，因此鈦在個人電腦、手機等領域中的應用日益增多。鈦在計算機上的使用主要是用做計算機外殼和硬盤盤片。

 

 

 

　　(1)鈦計算機外

 

 

 

　　IBM公司於2000年5月宣布其新型ThinkPad筆記本電腦外殼使用鈦基復合材料。ThinkPad電腦A系列(如A20p)和T系列(如T20)的機殼均使用了鈦基復合材料，不但提高了機殼的強度和抗震性能，而且可使電腦更薄、更輕。

 

 

 

　　日本富士通公司率先采用純鈦(99.5%)制造的小型A5尺寸、890克輕量筆記本電腦外殼。1999年該公司已在筆記本電腦(INTERTOP CX300)的外殼上使用鈦合金。

 

 

 

　　鈦比主要作為計算機外殼材料的金屬鎂的拉伸強度高出許多(鎂為44.4GPa，鈦為106.3GPa)，鈦的導熱率(17W/m.K)也只有鎂(159W/m.K)的十分之壹，所以鈦作為外殼材料在實現薄壁化的同時又能保持強度，抑制來自硬件等的熱量擴散，防止底面的發熱。尤其是因鈦表面耐蝕性優良，表面的塗層處理等變得較為簡單。

 

 

 

　　(2)計算機硬盤盤片

 

 

 

　　硬盤盤片大多采用鋁合金制造，前不久又出現了“玻璃硬盤”，因這種盤片具有更大的平滑性和更高的堅固性，且在高轉速時也具有更高的穩定性。計算機硬盤盤片用鈦合金(主要是Ti-3Al-2.5V)比通用的鋁合金和玻璃硬盤有更多的優越性，如強度高，可減少盤片厚度，提高存儲密度和轉速，表面光潔度高，可減少讀寫磁頭與磁盤的距離，提高存儲密度;鈦盤片還具有損壞容許極限高、表面硬度高等特點。

 

 

 

　　目前，由美國Timet公司投資500萬美元建成了壹個鈦盤片內部組織機構，1998年已小規模地在微機驅動部件上進行新開發，硬盤用鈦會給Timet公司帶來很大益處。目前市場上使用較普遍的鈦硬盤的規格為：直徑95mm;厚度0.635mm(或0.8mm);表面硬度14700MPa;楊氏模量660GPa;最高工作溫度700℃;平直度<10μm;粗糙度Ra<0.8nm。盤片采用的生產技術多為精密冷軋鈦或鈦合金，盤片表面可通過等離子氮化、等離子滲碳或等離子碳氮共滲進行硬化處理，盤片表面也可噴鍍壹層氮化鈦或硼化鈦硬塗層。

 

 

 

　　計算機硬盤盤片的市場很大，發展迅速。1998年世界盤片產量約為4.5億張。分析家預測，硬盤生產量以每年10%-15%的速度增長。據估計，隨著信息產業的高速發展和市場的激烈競爭，鈦用於計算機會有較好的市場。

 

 

 

　　4.軍事工業

 

 

 

　　除軍用飛機外，軍事戰車和火炮是鈦主要的軍事應用，其前景十分看好。軍用車輛急需減輕重量，當前軍隊中絕大多數軍車已達到其設計重量極限。而任何新技術應用於現有的車輛上，都要求除去相當的重量，並不能影響沖擊防護性能，因此鈦是最佳的選擇。鈦在地面軍用車輛中的應用有M1主戰坦克、M2戰車和Bradley戰車等(見圖5)。試驗表明，Ti-6A1-4V合金和新型TIMETAL Ti-62S合金優於常規的均質裝甲鋼(RHA)材料。鈦、鋁、和RHA鋼的壹些性能比較列於表2中。

 

 

 

　　鈦與常規的軋制均勻裝甲鋼材料相比具有高比強度、極好的射擊和多次射擊性能、可焊性和機加性以及極強的耐腐蝕性，可減輕25%-60%的重量，提高裝甲車的戰鬥能力和機動性，並減少壽命周期成本。低成本多用途的TIMETAL 62S合金與常規Ti-6Al-4V合金相比還可節省15%-20%的費用，因此它是美國軍隊裝甲應用的首選，比如用在Bradley戰鬥車指揮艙的艙口處。

 

 

 

　　在M2戰車上，鈦主要用於指揮艙蓋和頂部防護裝甲的改進，指揮艙蓋每個重68千克，待改進M2戰車總計1000輛，1997年已對首批的580輛進行了改裝。

 

 

 

　　在火炮系統中，兩種155毫米輕型牽引榴彈炮使用了大量的鈦合金。XM777 155mm超輕型便攜式榴彈炮的架尾和反沖擊氣缸是用鈦制成的。美國RMI公司從2001年開始為英國宇航系統公司研制的XM—777型155mm榴彈炮提供鈦材。榴彈炮從2003年開始交貨，到2010年將要制造821門，該項目將為RTI贏得1億美元的收入。

 

 

 

　　盡管鈦合金性能優良，但因價格原因而不能廣泛用於國防領域，隨著低成本鈦合金研究力度的加大，鈦還將用於M113裝甲運輸車的改造，若將50%的M113進行改進，大約要用鈦80000噸。鈦在未來軍事領域的應用還將深入到海運裝備中，海軍艦船上每年大約需要更換9.7萬米熱交換器用的銅鎳合金管，如果改用鈦管，可延長使用壽命，節省大量維修費用。

 

 

 

　　5.體育用品

 

 

 

　　鈦在體育用品中的應用也相當廣泛，如高爾夫球棒和球頭、網球拍、登山鞋、滑雪鞋、冰球冰刀、自行車架、短跑運動鞋鞋釘等。

 

 

 

　　鈦高爾夫球桿明顯占優勢，鈦的比重小，強度大，可以把球頭做得更大，而不會增加球桿的總重量。在廣泛的試驗中，高爾夫球手用鈦球頭比用標準加大的鋼球頭的擊中率平均可提高20%，而且擊球距離有所提高。美國在高爾夫球等民用品方面的用鈦量增長很快，1996年美國高爾夫市場鈦的消耗達4500噸。

 

 

 

　　鈦制網球拍市場需求量近來呈上升勢頭。鈦網由於深埋球拍的框架內，增強了球拍的打擊力，受到玩家的好評。現在，日本幾乎所有的網球拍生產廠家都在出售鈦制球拍，它占到球拍市場約壹半的份額。

 

 

 

　　因鈦眼鏡架的輕量、高強度、高耐蝕性、又不發生金屬過敏等優點，日本眼鏡架的半數以上是鈦鏡架。如果鈦鏡架市場在不遠的將來擴大到中國、東南亞等地區，那麽目前的鈦鏡架需求將會成倍增加。

 

 

 

　　現在自行車運動在全世界得到廣泛開展，鈦自行車特別適合高檔次自行車運動的要求，因此鈦自行車的銷量也在逐步增大。

 

 

 

　　除此之外，鈦在手表、首飾、滑雪用具、魚竿等體育休閑用品上的應用也不勝枚舉，其用量相當可觀。

 

 

 

　　6.食品器械

 

 

 

　　鈦在食品器械的應用中表現出高耐蝕性、輕重量、生物相容性、低粘附性、高清潔性與殺菌性，鈦制食品設備具有高效率、長壽命、低維修成本、低商品壽命成本的優點，且安裝簡便，容易檢修。食品的保存與加工多采用加鹽法，在此方面，鈦比其它金屬材料更加優異。且在食品加工工藝中，防止了來自材料的汙染或通過腐蝕而進入到制品中的微生物汙染，鈦的耐腐蝕性能可說是獨壹無二的。特別是粘附性之低可與特氟綸相比，加之鈦加工技術的可行性，實現了深層的衛生狀態，使凈洗作業變得簡單，且提高了效率。制品不受汙染，味道純正。因此，鈦在釀造、食品加工裝置材料的使用中成為安全、衛生的材料。

 

 

 

　　目前，食品器械產業市場被不銹鋼所壟斷，世界上每年有數百萬噸的不銹鋼在與食品相關的領域得以使用。為了拓展鈦在食品相關領域的應用，研究人員對於食品用鈦的耐蝕性和香、味的變化等功能試驗及數據的整理工作正在進行。事實上，食品工業對鈦並不熟知，因此應進行大規模的市場促銷活動，以增加鈦在食品行業中的用量。

 

 

 

　　新應用市場前景展望

 

 

 

　　目前，航空工業的興衰對鈦工業仍起著決定性的作用。9.11恐怖事件對航空業的打擊加強了人們開拓新市場的認識，使人們再次意識到了開發航空業以外鈦市場的重要性，以擺脫完全依賴於傳統工業的被動局面。

 

 

 

　　最具鈦新應用潛力的市場是汽車行業，全世界汽車的鈦用量在1995年僅有100噸，而2002年達到1100噸。汽車用鈦是壹個非常龐大的市場。壹旦鈦在汽車工業中得到廣泛的應用，那鈦材的用量將遠遠超過目前航天航空工業中的用量。現在，美國每年可生產1500-1600萬輛汽車，若每輛車上使用1千克的鈦部件，則美國每年的汽車用鈦量將達到1.5萬噸以上。汽車制造商批量使用鈦制零部件標誌著世界鈦工業今後將逐步擺脫航空業的束縛，向更廣闊的應用領域拓展，如阿爾法羅密歐汽車的鈦制零部件。

 

 

 

　　另外，近海石油和天然氣生產用鈦量在2000年為500噸，到2006年增長到2300噸。軍用裝甲目前年用鈦量為400t，到2006年增至1300噸。鈦高爾夫球桿市場在經歷大幅調整後，目前仍是鈦民用領域的壹大支柱，年銷售量為1200噸左右。

 

 

 

　　鈦在建築、汽車、能源、軍用裝甲板等新領域市場已較前大幅度增加，其總消費量在2001年約為6000噸，到2004年翻了壹番，達到1.2萬噸。據預測，到2013年，新應用領域用鈦將占全部用鈦量的20%，那時鈦市場受制於航空業的局面將會改變。

 

 

 

　　總之，我們相信隨著鈦新應用的不斷開發與發展，鈦新用量的不斷上升，未來鈦的新應用市場的發展前景光明。

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