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钛的用途和应用

2019/8/2 9:09:29点击:

   钛白粉学名二氧化钛(TiO2),是一种十分稳定的氧化物,具有优良的光学和颜料性能,主要用作白色无机颜料。它的无毒、最佳的不透明性、最佳白度和光亮度,被认为是目前世界上性能最好的一种白色颜料,广泛应用于涂料、塑料、造纸、印刷油墨、化纤、橡胶、化妆品等工业。

  二氧化钛有三种晶体形态,分别为金红石型、锐钛型和板钛型。其中板钛型不能用作颜料使用,在工业中作为颜料使用的主要是锐钛型和金红石型钛白粉。

  锐钛型钛白粉具有纯度高、粒子细小均匀、光学性能好、折射力强、消色力高、遮盖力强,且吸油量低、水分散性高等优点,主要用于涂料、油墨、化纤、橡胶、玻璃、化妆品、肥皂、塑料和造纸等工业。金红石型钛白粉除具有锐钛型钛白粉的优点外,还具有更好的耐候性和遮盖力,主要用于高级工业颜料、有光乳胶涂料、塑料,有较高消色力和耐晒要求的橡胶材料、高级纸张涂料层和蜡纸等。从颜料性能看,金红石型钛白粉优于锐钛型钛白粉,金红石型钛白粉中又以经表面包覆处理的产品居多。2010年,我国金红石型钛白粉占钛白粉总量的57%,远低于世界90%的水平。未来我国金红石型钛白粉比重还有较大的提升空间。

目前,钛白粉行业正在经历三大调整:(1)世界钛白粉产量增长相对缓慢,而亚太地区尤其是我国的钛白粉产量快速增长,世界钛白粉行业向亚太地区尤其是我国进行转移的态势非常明显;(2)随着下游对钛白粉性能提出更高的要求,对钛白粉进行包膜处理成为重要手段,各种专用型钛白粉不断涌现,钛白粉行业由通用品向专用品方向发展方兴未艾;(3)钛白粉分为锐钛型和金红石型两种类型,锐钛型钛白粉尽管因其较高的性价比仍旧占据部分市场份额,但是金红石型钛白粉以其优异的性能仍是行业未来发展的大趋势。在我国钛白粉产品结构中,金红石型钛白粉所占的比例不断提升,约占57%,但是仍然远远低于世界90%的比例。我国钛白粉产品结构正积极向金红石型钛白粉方向转变。综上所述,我国钛白粉行业尤其是专用金红石型钛白粉前景依然看好。

钛及钛合金的应用

钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属,钛合金具有密度低、比强度高、耐蚀性好、导热率低、无毒无磁、可焊接、生物相容性好、表面可装饰性强等特性,广泛应用于航空、航天、化工、石油、电力、医疗、建筑、体育用品等领域。世界上许多国家都已经认识到钛合金材料的重要性,相继对其进行研究开发,并得到了实际应用。

 

2011年,全球商业航空的消费比例达到46%,军用钛材比例为9%(主要为军用航空),整个航空领域消耗钛材比例超50%;工业消耗钛材比例为43%,新兴市场消费钛材比例为2%。

钛制品需求结构在地区上存在明显差异。在拥有发达的航空航天和军工国防工业的北美和欧盟地区,尤其是美国,大约50%以上的钛制品需求来自于航空航天和军工国防领域。而在日本,来自化工等行业的工业用钛占据了需求的主导地位。据日本钛协会统计,航空航天只占到日本钛需求的2%-3%。与日本的情况颇为类似,我国钛制品需求大部分来自化工和能源领域,航空航天只占到10%。虽说中国已成为全球最大的钛金属生产国和消费国之一,不过大部分生产一直局限于等级较低的钛,用于自行车架、高尔夫球杆或化工行业使用的防腐管材。但是近年来航空航天用钛量在亚洲地区出现明显增长,可见,钛市场的前景比较光明。

航空航天领域

航空航天领域用钛大国集中在西方国家,尤其是美国,60%的钛材都应用到这个领域。亚洲国家,日本和中国在此领域中钛的投入量均在10%左右。但是近年来随着亚洲航空航天的飞速发展,钛在航空航天领域的消费量将会随之增长。从全球角度来看,航空业对钛市场起着决定性的作用,从历史上看,钛行业大的周期轮回都和航空业的冷暖密切相关。

2011年,全球钛材产量达到14。8万吨,其中商用航空用钛材约6。4万吨,未来全球经济增长对航空运输的需求量依然巨大,预计未来20年新增飞机需求约在3万架左右,同时,新型飞机对钛的需求量高于老式飞机,预计20年内商用飞机对钛材的平均需求量将达到40吨/架;据此推算,未来20年全球商用航空领域新增钛材需求约120万吨,年复合增长率约17%,平均每年新增6万吨钛材需求,民用航空用钛材领域将呈现快速增长。军用航空领域也将出现新的机会;由于全球地缘政治形势紧张,全球各国军费开支增加,军用航空领域也有望出现新的需求。

民用客机

(1)减轻结构重量、提高结构效率:先进的战技性能(如超音速飞机)要求飞机具有比较低的结构重量系数(即:机体结构重量/飞机正常起飞重量),而钛合金具有强度接近中强钢但密度小的特点,代替结构钢和高温合金,能大幅度减轻结构重量,同时也能节省费用;以发动机为例,有统计数据显示,飞机发动机的质量每降低一公斤,使用费用可降低约220-440美元。

(2)符合高温部位的使用要求:钛合金具有耐热性好的特点,如常用的Ti-6Al-4V能在350℃下长期工作,因此在飞机的高温部位(如后机身等)可取代因高温使用性能不能满足要求的铝合金;TC11能在500℃下长期工作,在发动机的压气机部位可取代高温合金和不锈钢。

(3)符合与复合材料结构相匹配的要求:为减轻结构重量和满足隐身要求,先进飞机大量使用复合材料,钛合金与复合材料的强度、刚度匹配较好,能获得很好的减重效果。同时,由于二者电位比较接近,不易产生电偶腐蚀,因此相应部位的结构件和紧固件宜采用钛合金。

(4)符合高抗蚀性和长寿命的要求:钛合金具有较高的疲劳寿命和优良的耐腐蚀性能,可以提高结构的抗腐蚀能力和寿命,满足先进飞机、发动机高可靠性和长寿命的要求。

军事飞机

军用武器的开发与采购不断向着轻便、灵活方向发展,为了满足战斗机对战斗性能要求,除了采用先进的设计技术外,还必须采用额性能优良的材料以及先进的工艺制造技术。大量选用钛合金、提高先进钛合金应用水平就是重要措施之一。自20世纪60年代以来,国外军用飞机的钛量逐年增加,当前欧美设计的各种先进军用战斗机和轰炸机中钛合金用量已经稳定在20%以上,并且新机型的用钛量占比正在大幅提升。

汽车行业

降低燃油消耗、减少有害废弃物(CO2、NOX 等)排放已经成为汽车行业技术进步的主要动力和方向之一。研究表明,轻量化是实现节省燃料、减少污染的有效措施。汽车的质量每降低10%,燃料消耗可节省8%-10%,废气排放可减少10%。在驾驶方面,汽车轻量化后加速性能提高,车辆控制稳定性、噪音、振动方面也都有改善。从碰撞安全性考虑,汽车轻量化后,碰撞时惯性小,制动距离减少。

汽车轻量化的首选途径就是用高比强度的轻质材料,如铝、镁、钛等替代传统的汽车材料(钢铁)。2009年全球汽车用钛量已达3000吨。钛在赛车上的应用已有许多年的历史目前赛车几乎都使用了钛材,日本汽车用钛已超过600吨,随着全球汽车工业的发展,汽车用钛还在快速增加。

   汽车使用钛的优点有:减轻重量,降低燃料消耗;改善动力传输效果,降低噪音;减少振动,减轻部件载荷;提高车的持久性及环境保护。

医疗行业

   钛在医疗领域有着广泛的应用。钛与人体骨骼接近,对人体组织具有良好的生物相容性、无毒副作用。人体植入物是与人的生命和健康密切相关的特殊的功能材料。同其它金属材料相比较,使用钛及钛合金的优势主要有以下几点:1 质轻;2 弹性模量低;3无磁性;4 无毒性;5 抗腐蚀性;6 强度高、韧性好。外科植入物中的钛合金用量正以每年5%-7%的速度增长。采用钛及钛合金制造的股骨头、髋关节、肱骨、颅骨、膝关节、肘关节、肩关节、掌指关节、颌骨以及心辨膜、肾辨膜、血管扩张器、夹板、假体、紧固螺钉等上百种金属件移植到人体中,取得了良好的效果,被医学界给予了很高的评价。

 化工行业

钛具有优良的耐腐蚀性能、力学性能和工艺性能,被广泛应用于国民经济许多部门。特别是在化工生产中,用钛代替不锈钢、镍基合金和其它稀有金属作为耐腐蚀材料。这对增加产量,提高产品质量,延长设备使用寿命,减少消耗,降低能耗,降低成本,防止污染,改善劳动条件和提高劳动生产率等方面都有十分重要的意义。

钛金属已成为化工装备中主要的防腐蚀材料之一,并在化工装置中已确立了他的耐腐蚀地位。作为化工设备中的理想材料,钛也愈来愈引起工程技术人员的重视。

经过多年的推广,钛及其合金已作为一种优异的耐腐蚀结构材料在化工生产中得到了广泛应用。目前钛设备的应用已从最初的纯碱与烧碱工业扩展到氯酸盐、氯化铵、尿素、有机合成、染料、无机盐、农药、合成纤维、化肥、和精细化工等行业,设备种类已从小型、单一化发展到大型、多样化。

 调查结果表明钛换热器占57%,钛阳极占20%,钛容器占16%,其他占7%。在化学工业中以“两碱”为主,化工设备中钛换热器用量最大。

近年来,我国钛材的生产技术提高迅速,航空航天用钛,军事用钛,汽车用钛等增长都很迅速,尤其是航空航天领域,有赶超化工用钛的趋势。总体而言,化工用钛的技术含量小,产品附加值低,化工用钛比例不可避免会逐步下降。

海洋工程

随着科学技术的发展和陆地资源日趋枯竭,人类开发利用海洋已经提到日程上来了。钛对于海水有优异的耐蚀性能,大量运用于海水淡化、舰船、海洋热能开发和海底资源开采等领域。

   早在20世纪60年代,我国就已经开始了对钛及钛合金在船舶及海洋工程装备上的应用研究,并做了大量工作,已基本形成了牌号较多、性能各异、品种规格齐全的船用钛合金体系。由于钛及钛合金自身所具备的特性,使其在舰船以及海工装备的应用上具有得天独厚的优势,因而被广泛应用于核潜艇、深潜器、原子能破冰船、水翼船、气垫船、扫雷艇以及螺旋桨推进器、海水管路、冷凝器、热交换器等。

    在舰船应用方面,目前我国舰船用钛量非常少,占船舶总重量的比例不超过1%,舰船及海工装备用钛及钛合金领域发展潜力巨大。此外,在海水淡化以及滨海电站方面,由于我国目前海水淡化以及滨海电站市场需求巨大,在进一步降低钛合金成本以及提高产品质量稳定性的情况下,钛的市场应用前景将非常广阔。

日常生活

钛在日常生活中的应用非常广泛,可谓无处不在,例如高尔夫球头、自行车车架、网球拍、轮椅、眼镜架等都会应用到钛。

钛以其轻质、强度高的特性在体育用品中的应用,从最早的网球拍、羽毛球拍逐步扩展到了高尔夫球头、球杆以及赛车等。2008年我国体育休闲占总消费量的13%,其中仅高尔夫球头和球杆的用钛量就超过了1000吨。钛合金做成的自行车车架也颇受欢迎,目前有近50价公司生产钛自行车,美国早已是最大的钛自行车生产商和消费国。钛轻质的特点也应用到眼镜架中,而且钛又不易与皮肤发生过敏,并且钛表面经阳极处理可有绚丽色彩,因此从20世纪80年代初就开始应用于镜架中。

   近几年,钛在人类日常生活中的应用在不断扩展,且发展速度很快,应用技术也更趋成熟、完善。在钛的日常生活品应用方面,美国和日本走在前面。


 

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