钛的性质与应用

钛是一种化学元素，其化学符号为Ti，原子序数为22，原子量为47.867 u。钛是银白色的过渡金属，其特征为重量轻、强度高、具金属光泽，亦有良好的抗腐蚀能力（包括海水、王水及氯气）。由于其稳定的化学性质，良好的耐高温、耐低温、抗强酸、抗强碱，以及高强度、低密度，常用来制造火箭及太空船，因此获美誉为“太空金属”。钛于1791年由格雷戈尔于英国康沃尔郡发现，并由克拉普罗特用希腊神话的泰坦为其命名。

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。它的熔点相当地高（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。

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1,400兆帕斯卡。然而，当钛被加热至430摄氏度以上时，强度会减弱。

尽管比不上高等级的热处理钢，钛仍具有相当的硬度。钛不具磁性，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。

钛具有两种同素异形体，在882摄氏度时，就会从六方最密堆积的α型转变成体心立方的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。

应用

钛是钢的一种合金用元素（钛铁），钛会缩小钢的晶粒尺寸，同时作为脱氧剂的钛会减低钢的含氧量；在不锈钢中加钛会减低含碳量。钛常与其他金属制成合金，这些金属有铝（改良晶粒大小）、钒、铜（硬化）、镁及钼等。钛的机械制品（片、板、管、线、锻件、铸件）在工业、宇宙航行、休闲及新兴市场上都有应用。钛粉在烟火制造上用于提供明亮的燃烧颗粒。

颜料、添加剂及涂料

二氧化钛是最常用的钛化合物

从地球表面被开采的钛矿石中，约95%都被送往提炼成二氧化钛（TiO2），俗称钛白(粉)，一种超白的持久颜料，性质安定、无毒且覆盖力佳，常被用于制造涂料、纸张、牙膏及塑胶，也是立可白的主要成分。二氧化钛也被用于水泥、宝石、造纸用遮光剂及石墨复合鱼杆、高尔夫球杆的强化剂。

粉末状的TiO2化学上具惰性，阳光下不褪色，而且很不透光：就是这些性质，使得它能够为制造家用塑胶的灰色或棕色化学品带来艳丽的纯白色。在自然中，二氧化钛这种化合物可在锐钛矿、板钛矿及金红石这几种矿物中找到。用二氧化钛制成的涂料能够耐高温，轻度阻止尘污积聚，及抵受海洋环境带来的影响。纯二氧化钛的折射率非常高，而且对光学色散能力比钻石还高。除了作为一种很重要的颜料之外，二氧化钛还会吸收紫外线，可用于防晒化妆品中。

奈米级二氧化钛也会吸收紫外线，可制成光触媒产品，有除臭、杀菌及消毒的功能。

最近，它还被用在空气净化器（过滤器涂层），及贴在建筑物窗上的薄膜，这种薄膜在接触到紫外线（太阳或人工）或空气中的水分时，会产生带高度活性的氧化还原物种，如羟基，能净化空气或保持窗面清洁。

宇宙航行及航海

由于它的高抗拉强度－密度比、优良的抗腐蚀性、抗疲乏性、抗裂痕性及能够在没有蠕变的情况下抵受适度高温，钛合金被用于航空器、装甲敷板、海军舰只、航天器与导弹。

在这些应用中，钛与铝、钒及其他元素所制成的合金，用于制造各种元件，包括关键的架构部件、防火墙、起落架、排气管（直升机）及液压系统。事实上，约三分二的钛金属生产量被用于制造太空船引擎及构架。

由于不易被海水腐蚀，钛被用于制造螺桨轴、索具及用于海水淡化厂的换热器；还被用于咸水水族馆的冷热水器、钓鱼线及潜水用刀。钛被用于制造海洋监视部署的住房及其他元件，及用于以及科学用或军用的监察仪。前苏联研发出主要用钛制造潜艇的技术。

工业

化工及石油化工领域需要用到焊钛制的管道及加工设备（换热器、槽、加工用容器、阀），主要原因是钛的抗腐蚀性。井内与镍湿法冶金应用要用到特定的几种合金，如钛βC，因为需要高强度、高抗腐蚀性或两者同时。制纸业某些会面对腐蚀性介质的生产设备会用到钛，这些腐蚀性介质包括次氯酸钠或湿氯气（用于漂白）。其他应用包括：超声波焊接、熔锡波焊及溅镀靶材。

四氯化钛（TiCl4）是一种无色液体，在生产二氧化钛的过程中的是一种重要的中间物，可用于生产齐格勒-纳塔催化剂及制造镀铱玻璃，还由于它在湿气中会产生浓烟，所以可以用四氯化钛来制造烟幕。

消费品及建材

钛金属被用于汽车，尤其是赛车（汽车或摩托），在这领域减低重量，但同时不失强度及刚度是极其重要的。一般来说，钛金属对普罗大众的消费市场来说太昂贵了，很难会有销路，所以它的主要市场是高档产品，尤其是竞赛用／高性能市场。

钛被用于各种体育用品：网球拍、高尔夫球杆杆头、袋棍球棒手柄；板球、曲棍球、袋棍球及美式足球的头盔上的护架；以及自行车的骨架及元件。尽管钛并不是自行车生产的主流材料，但仍有运动选手及自行车冒险爱好者使用钛制的自行车。钛合金亦被用于制造眼镜框架，虽然这种镜框会有点昂贵，但是它重量轻又很经久耐用，而且不会造成皮肤敏感。许多野外背包客都有钛制的装备，包括煮食用具、餐具、提灯及帐蓬的标桩。虽然比传统的钢或铝制的同类稍贵，这些钛制品要轻得多但强度不减。蹄铁匠也偏好使用钛，因为钛制的马蹄铁比钢制的更轻且更耐用。