鈦材料的應用  |
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  鈦材料的應用

 
鈦材料的應用
鈦的新應用及展望
由於鈦所具有的一系列優良性能,資源又很豐富,鈦的工業生產問世後,立即受到世界各國的高度重視。鈦的應用首先是以軍工工業和航空工業開始的。
近年來,鈦在建築、汽車、電腦、裝甲、油氣開採、體育休閒用品等新應用領域不斷出現,並形成一定的規模產能需求。
1.1 建築用鈦:
鈦在許多建築應用領域中是一種優異的且可選擇的材料。如在外部包覆,懸牆、屋頂包覆、蒸餾塔外層、屋頂蓋、內部包覆、燈具以及藝術雕術品和紀念碑等。建築用鈦具有傑出的耐蝕性、高強度、輕重量和耐久性,比其他任何金屬的使用壽命都長,且不需要怎麼維修。因此以設計和開發來說,尤其是以壽命週期考慮時鈦材料是最實用的。
1.2 汽車應用:
汽車中使用鈦可將汽車重量大大減輕,降低燃料消耗,提高汽車工作效率,改善環境和降低噪音。具資料統計,每降低10%的車體重量就可以減少10%廢棄排放量及節省7%燃料消耗,因此汽車的輕量化將會達到”節能” ”環保”的雙重功效。
1.3鈦在電腦上的應用:
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。鈦使用在電腦的外殼和底盤盤片較多。
1.4軍事工業:
除軍用飛機外,軍事戰車和火砲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,都要求去除相當的重量,並不能影響衝擊防護性能,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。試驗說明,Ti-6Al-4V合金和新型TIMETAL Ti-62S合金優於常規均質裝甲鋼(RHA)材料。
1.5體育用品:
鈦在體育用品中也相當廣泛,如高爾夫球棒和球頭、網球拍、登山鞋、滑雪鞋、冰球鞋、自行車架、短跑運動鞋鞋釘等。
在體育用品方面,鈦高爾夫球桿佔優勢,鈦的比重小,強度大,可以把球頭做更大,而不會增加球桿的總重量。在廣泛的實驗中,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。
鈦製網球拍市場需求量進來呈上升趨勢,鈦網由於深入球拍的框架內,增強的球拍打擊率,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製球拍,佔市場的50%。
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,日本眼鏡半數以上是鈦鏡架。

1.6食品工業:
鈦在食品器械應用中出現高耐蝕性、輕重量、生物相容性、低黏附性、高清潔性與殺菌性,鈦製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。食品的保存與加工都採用加蓋法,在此方面,鈦比其他金屬材料更加優異。且在食品加工技術中,防止來自材料的污染或通過腐蝕而進入到製品中的微生物污染,鈦的腐蝕性能可說是獨一無二。特別是黏附性之低可與特氟龍不相向下,加上鈦的加工技術的可行性,實現了深層的潔生狀態使淨洗作業變得簡單,且提高了效率。製品不受汙染,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和潔生的材料。
2.1鈦鋯合金的應用領域
鋯是一種稀有金屬,具有驚人的抗腐蝕性能、較高的熔點、超高的硬度和強度等特性,被廣泛用在航空航天、軍工、核反應、原子能領域。鋯的熔點在1800℃以上,而二氧化鋯的熔點更是高達2700℃以上,所以鋯作為航空航天以鈦相比具有其獨特的優越性。以醫學角度而言、鈦及鈦合金以及優良的生物安全性、極佳的耐腐蝕性以及適宜的力學性能已成為生物材料界所重視,並以廣泛的運用於人體組織。使用Ti-6AL-4V合金適合製作冠橋,而對於做義齒支架合金性能就略顯不足。Ti-6AL-4V合金作為一用植入材料已被應用很多年,其在耐腐蝕性方面明顯優於不袗及鈷鉻合金,但由於Ti-6AL-4V中所含的元素鋁和元素釩對人體有害,使其在體內長期應用受到限制。因此在生物醫學學屆開發展的研究義齒材料的研究熱潮,一些新型的醫用鈦合金應運而生,一取代Ti-6AL-4V合金。通過大量的實驗證明,元素鋯屬於對人體無毒無副作用的生命族元素。鈦鋯合金不含毒性組元素釩並以鋯元素作為主要合金元素具有優良的生物相容性。鋯元素的添加對鈦的鑄造流動性影響不大,同時降低了鑄造的線收縮率,強化了鈦的力學性能,並且有效的改善了鈦合金的焊接性能。鈦鋯合金的研製彌補了鈦及鈦合金在口腔領域的不足,更加適合製作義齒的支架合金,根據該合金在生物相容性方面及力學性能方面的優勢,可將其推廣應用於牙科種植體以及人體硬組織代材料等方面,同時也可以根據各類植入體的性能要求,在此合金的基礎上,調整合金元素的比例研製出更加適合各種類植入體的新型合金。
目前,Ti-Zr合金主要類型及合金性能如下:
(1) 50%Ti-50%Zr。
(2) Ti-13.8%Zr。
(3) 組成為2~5%Cu,1~9%Zr,3~5%Mn,2.5~3%Mb其餘為Ti。
(4) MST881型鈦合金。
(5) 生物體合金。
(6) Ti15%-Zr4%-Mb%-Ta0.2%-Pd合金具有良好的生物體相容性,力學性能和腐蝕疲勞特性。
(7) Ti29%-Nb13%-Ta4.6%-Zr彈性模量接近人體骨骼。
外科用移植材料規定使用的鈦材以純鈦和Ti6AL-4V(ELI)合金為主。最近與人體親和性良好的移植材料Ti6AL-7Nb及Ti-13Nb1-13Zr也取得ASTM標準認可。
用鈦作人造骨、細胞可在其上再生、骨骼可以生長、鈦與人體骨、上皮、締造組織都具有良好的親和性。為了改善與人體連結的植入材表面質量、對粗化表面進行生物陶瓷層也是較為有效的方法。目前鈦及鈦合金以廣泛用於人工骨關節、人工骨接頭角板、斷骨固定器、骨隨內釘、人工心臟瓣膜、頭蓋骨等。
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