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鈦的新應用

[ 信息提供:118ss | 時間:2013-03-06 | 作者: | 瀏覽:2653次 ]

鈦的新應用

 

近年來,鈦在建筑、汽車、電腦、體育和食品等領域的新應用不斷出現,并形成一定的規模。 

 

1 建筑應用 

鈦是建筑領域的一種優異可選擇材料,例如外部包覆、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。鈦建筑物具有耐蝕性、高強度、輕量和耐久性,比其他任何金屬的使用壽命都長,且不需要怎么維修。

許多專項已列在用鈦規劃之中,例如巴黎航空站已計劃在兩個世界級建筑物上使用鈦。鈦還被選擇用作北京大歌劇院和阿布扎比國際機場建筑物材料。北京歌劇院僅蒙皮材料估計就使用400t鈦材;阿布扎比機場預計在屋頂結構上的鈦材用量將達800t,并用航空級鈦合金厚板做結構架。 

鈦在西方建筑應用中相對較新,但在日本獲得應用已有多年,有上百個建筑物都使用了鈦,使許多重污染地區、都市和濱海地區的腐蝕問題得到了圓滿的解決。 

  美國佛羅里達州奧蘭多市最近要建造一座跨鐵路的校園人行橋,要求橋的結構全部用美國的鈦制造,包括拉條和緊固件,以演示鈦在橋梁中的使用性能,提高各界對鈦新用途的認識。

2 汽車應用 

    汽車中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于表1。 

表1   鈦在汽車上的具體應用部件

部件名稱parts

可用材料material

閥門valve

Ti-6Al-4V;Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo;Ti-33.5Al-1Nb-0.5Cr-0.5Si

閥座valve seat

Ti-6Al-4V; Ti-5Al-2Cr-1Fe 

連桿connecting rod

Ti-6Al-4V;  Ti-4Al-2Sn-4Mn;  Ti-7Al-4Mo 

曲軸crank shaft

Ti-5Al-2Cr-Fe;  Ti-3Al-2.5V 

懸簧spring

Timetal LCB (Ti-4.5Fe-6.8Mo-1.5Al) 

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8.1公斤,并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的減輕60~70%,在一個典型的美國造的可乘坐5~6人的家用車中,通過使用4個鈦卷彈簧,每輛車就可減輕10公斤左右。美國鈦金屬公司(Timet)與德國大眾汽車公司于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了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,汽車將會代表未來鈦金屬的一個主要應用市場。 

與鋼彈簧相比,鈦彈簧具有輕量、體積小和共振頻率高等優點,其密度和彈性模量只有鋼簧的一半,而強度幾乎與鋼彈簧一樣,在實際應用中可將鈦簧設計得比鋼簧直徑小、圈數少。 高強度的β鈦合金, 如Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr和Timetal LCB (Ti-6.8Mo-4.5Fe-1.5Al) 合金是制造彈簧的最佳選擇。

3 電腦應用 

鈦在電腦上主要用作電腦外殼和硬碟碟片。 

(1) 電腦外殼 

    美國IBM公司于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, 提高了機殼的強度和抗震性能,使電腦更薄、更輕。 

日本富士通公司率先采用純鈦制造的小型A5尺寸、890克輕量筆記本電腦外殼已商品化。 1999年該公司已在筆記本電腦「INTERTOP CX300」的外殼上使用鈦合金;2001年1月市場上已出售日本阿波羅公司用鈦生產的僅有2.6厘米的薄壁筆記本電腦Power book G4。 

作為電腦外殼材料,鈦比鎂的拉伸強度高出許多,導熱率也只有鎂的1/10,所以鈦作為外殼材料在實現薄壁化的同時又能保持強度,抑制熱量擴散, 防止底面發熱。 

(2) 電腦硬碟碟片 

    電腦硬碟碟片用鈦合金(主要是Ti-3Al-2.5V)比通用的鋁合金和玻璃硬碟有更多的優越性,如強度高,可減少碟片厚度,提高存儲密度和轉速;表面光潔度高,可減少讀寫磁頭與磁片的距離,提高存儲密度;鈦碟片還具有容損極限高、表面硬度高等特點。 

    美國Timet公司投資500萬美元建成了一個鈦碟片研發機構,1998年已小規模地在微機驅動部件上進行了新開發,硬碟用鈦給Timet公司帶來很大受益。目前市場上使用較普遍的鈦硬碟的規格為:直徑95毫米; 厚度0.635毫米(或0.8毫米); 表面硬度14,700MPa;  楊氏模量660GPa(TiN); 最高工作溫度700℃; 平直度< 10μm; 粗糙度Ra<0.8nm。碟片采用的生產技術多為精密冷軋鈦或鈦合金, 碟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,碟片表面也可噴鍍一層氮化鈦或硼化鈦硬涂層。 

電腦硬碟碟片的市場很大,發展迅速。 1998年世界碟片產量約為4.5億張。分析家預測,硬碟生產量將以每年10%~15%的速度增長。據估計,隨著資訊產業的高速發展和市場的劇烈競爭,鈦用于電腦會有較好的應用市場。 

4 體育器械應用

鈦在體育器械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。 

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。美國高爾夫球用鈦量增長很快,1996年美國高爾夫市場鈦的消耗達4,500噸。 

鈦制網球拍市場需求量近來呈上升勢頭.鈦網由于深埋入球拍的框架內,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,它占到球拍市場約一半的份額。 

因鈦眼鏡架的輕量、高強度、良好耐蝕性、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,那么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、魚桿等體育休閑用品上的應用也不勝枚舉,其用量相當可觀。 

 

5 食品器械應用

鈦在食品器械應用中表現出高耐蝕性、輕量、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,且安裝簡便,容易檢修。在食品加工工藝中,鈦的耐腐蝕性能可說是獨一無二,制品不受污染,味道純正。因此,鈦在釀造、食品加工裝置中成為安全、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,研究人員對于食品用鈦的耐蝕性和香、味的變化等功能試驗及資料的整理工作正在進行。 

6 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,以擺脫完全依賴于航空工業的被動局面。 

目前鈦最具新應用潛力是汽車行業,全世界汽車的鈦用量在1995年僅有100噸,而2002年達到1,100噸。汽車用鈦是一個非常龐大的市場。一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太航空工業中的用量。現在美國每年可生產1,500萬~1,600萬輛汽車,若每輛車上使用1公斤的鈦部件,則美國每年的汽車用鈦量將達到15,000噸以上。  

汽車制造商批量使用鈦制零部件標志著世界鈦工業今后將逐步擺脫航空業的束縛,向更廣闊的應用領域拓展。 

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2,300噸。軍用裝甲2000年用鈦量為400噸,到2006年增至1,300噸。高爾夫球市場在經歷了大幅調整后目前仍是鈦民用領域的一大支柱。 

鈦在建筑、汽車、能源、兵工裝甲等新領域市場已較前大幅度增加,其總消費量在2001年約為6,000噸,到2004年翻了一翻,達到12,000噸。據預測,到2013年,新應用領域用鈦將占全部用鈦量的20%,那時鈦市場受制于航空業的局面將會改變。 

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