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鈦的新應用
- 作者:麥站管理員
- 發(fā)布時間:2022-04-27
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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(xiàn),并形成一定的規(guī)模。
1 建筑應用
鈦是建筑領域的一種優(yōu)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(nèi)部包覆、燈具以及藝術(shù)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(guī)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(jié)構(gòu)上的鈦材用量將達800t,并用航空級鈦合金厚板做結(jié)構(gòu)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(qū)、都市和濱海地區(qū)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(jié)構(gòu)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(huán)境和降低噪音。據(jù)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(jié)省7%的燃料消耗,因此汽車的輕量化將會起到“節(jié)能,環(huán)?!钡碾p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(chǎn)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(chǎn)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(tǒng)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(chǎn)商。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和汽車制造商提高燃料經(jīng)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(chǎn)工業(yè)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(yōu)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(shù)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(chǎn)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(xiàn)薄壁化的同時又能保持強度,抑制熱量擴散, 防止底面發(fā)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(yōu)越性,如強度高,可減少碟片厚度,提高存儲密度和轉(zhuǎn)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(fā)機構(gòu),1998年已小規(guī)模地在微機驅(qū)動部件上進行了新開發(fā),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(guī)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(chǎn)技術(shù)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(fā)展迅速。 1998年世界碟片產(chǎn)量約為4.5億張。分析家預測,硬碟生產(chǎn)量將以每年10%~15%的速度增長。據(jù)估計,隨著資訊產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)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(wǎng)球拍、登山鞋、滑雪鞋、冰球冰刀、自行車架、短跑運動鞋鞋釘?shù)取?nbsp;
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(wǎng)球拍市場需求量近來呈上升勢頭.鈦網(wǎng)由于深埋入球拍的框架內(nèi),增強了球拍的打擊力,受到玩家的好評?,F(xiàn)在,日本幾乎所有的網(wǎng)球拍生產(chǎn)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(fā)生金屬過敏等優(yōu)點,日本眼鏡架的半數(shù)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(qū),那么目前的鈦鏡架需求將會成倍增加。
現(xiàn)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(xiàn)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(wèi)生的材料。
目前, 食品器械產(chǎn)業(yè)市場被不銹鋼所壟斷,世界上每年有數(shù)百萬噸的不銹鋼在與食品相關(guān)的領域得以使用。為了拓展鈦在食品相關(guān)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(yè)的興衰對鈦工業(yè)仍起著決定性的作用。 9.11恐怖事件對航空業(yè)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(fā)航空業(yè)以外鈦市場的重要性,以擺脫完全依賴于航空工業(yè)的被動局面。
目前鈦最具新應用潛力是汽車行業(yè),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(yè)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(yè)中的用量?,F(xiàn)在美國每年可生產(chǎn)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(yè)今后將逐步擺脫航空業(yè)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(chǎn)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(jīng)歷了大幅調(diào)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(jù)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(yè)的局面將會改變。
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