特性

物理性质

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 （ 英语 ： Metastability ） 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。

化学性质

钛的特性中，最为人称道的就是它优良的抗腐蚀能力——它的抗蚀性几乎跟铂一样好，钛不受稀硫酸、稀盐酸、氯气、氯溶液及大部分有机酸的腐蚀 ，但仍可被浓酸溶解 。虽然以下的电位-pH图指出钛在热力学上是一种活性很高的金属 ，但是它与水及空气的反应是非常缓慢的 。

  在纯水、高氯酸或氢氧化钠中的钛电位-pH图

钛在曝露在高温空气中时，会生成一层钝氧化物保护膜，阻止氧化持续 。在最初形成时，保护层只有一至二纳米厚，但会缓慢地持续增厚；四年间可达25纳米厚 。但当钛被置于高温空气中时，便很容易与氧产生反应 。

这个反应在空气温度达1200摄氏度时便会发生，而在纯氧中最低只需610摄氏度，生成二氧化钛 。因此不能在空气中熔掉钛，因为在到达熔点前钛会先燃烧起来，所以只能在惰性气体或真空中熔化钛。在550摄氏度时，钛会与氯气结合 。钛亦会与其他卤素结合，并吸收氢气 。

钛也是少数会在纯氮气中燃烧的元素，达800摄氏度就会燃烧起来，生成一氮化钛，导致脆化 。

实验指出，天然钛在受到氘核轰击后会具有放射性，主要释放出正电子及硬性γ射线 。

化合物

氧化态+4在钛化学中占首要地位， 但氧化态为+3的化合物亦属常见 。正因为这样的高氧化态，许多钛化合物中的共价键高度密集。

星彩蓝宝石及红宝石的 星彩性 （ 英语 ： Asterism (gemology) ） 来自于它们所含的二氧化钛杂质 。钛酸盐是以二氧化钛为原料的化合物。钛酸钡具有压电性，因此可以被用于制造声光转换器 。酒精与四氯化钛反应会生成钛酯，可被用于制作防水纤维 。

氮化钛（TiN）具有与蓝宝石及金刚砂相当的硬度（摩氏硬度9.0） ，因此可作为各种切割工具的涂层，例如钻头 。它的其他应用还包括装饰用金色涂料及半导体器件制造中 铜导线 （ 英语 ： Copper interconnect ） 界面的 扩散阻障层 （ 英语 ： Diffusion barrier ） 。

四氯化钛（氯化钛（IV），TiCl 4 ）是一种无色液体 ，也是二氧化钛颜料制造过程的中间体 。作为一种路易斯酸，四氯化钛在有机化学反应中有广泛应用，例如向山羟醛反应 。钛另有一种氧化数较低的氯化物，三氯化钛（氯化钛（III），TiCl 3 ），用作还原剂 。

二氯化二茂钛是一种重要的碳－碳键形成催化剂。异丙醇钛用于夏普莱斯不对称环氧化反应。其他化合物还包括溴化钛（用于冶金术、超合金及高温用电线线路及涂层）和碳化钛（用于高温切割工具及涂层） 。

  带氮化钛镀膜的钻头

天然含量

由于四舍五入的关系，数值总和并不等于100%。 small>

自然中的钛总是与其他元素结合成化合物。它是地壳中含量第九高的元素（质量占地壳0.63%） ，同时也是第七高的金属。大部分的火成岩及由其演变成的沉积岩都含有钛（生物及天然水体也含有钛） 。实际上，在美国地质调查局分析过的801种火成岩中，784种含有钛 钛大约占土壤的0.5至1.5%。 。

它分布很广，主要矿物为锐钛矿、 板钛矿 （ 英语 ： Brookite ） 、钛铁矿、钙钛矿、金红石、 榍石 （ 英语 ： Titanite ） 及大部分铁矿石 。这些矿物中，只有金红石和钛铁矿具有经济价值，但即使是这两种矿物，它们的高浓度矿源仍是很难找。铁钛矿的重要矿源主要分布于澳洲西部、加拿大、中国、印度、莫桑比克、新西兰、挪威及乌克兰 。北美洲及南非亦有大量开采金红石，促使钛金属的年产量至九万吨及二氧化钛至四百三十万吨 。据估计，钛的贮藏量超过六亿吨 。

钛可以在陨石中找到，并且已在太阳及M型恒星处侦测到钛 ；M型恒星是温度最冷的恒星，表面温度为3,200摄氏度 。在阿波罗17号任务从月球带回的岩石中，二氧化钛含量达12.1% 。 钛还可以在煤灰、植物，甚至人体中找到。

同位素

天然生的钛有五种稳定的同位素： Ti、 Ti、 Ti、 Ti及 Ti，其中最常见的是 Ti（天然丰度为73.8%）。现时已知钛共有十一种放射性同位素，其中比较稳定的有 Ti（半衰期63年）、 Ti（半衰期184.8分钟）、 Ti（半衰期5.76分钟）及 Ti（半衰期1.7分钟）。而剩下的其他放射性同位素，半衰期最长只有33秒，而大部分的半衰期更在半秒以下 。

钛各同位素的原子重量，最轻有39.99u（ Ti），最重有57.966u（ Ti）。最常见的稳定同位素， Ti，其主要衰变模式为电子捕获，衰变产物为元素21（钪）的同位素；而其次的衰变模式为β衰变，产物为元素23（钒）的同位素 。

历史

 克拉普罗特以希腊神话的泰坦为钛命名。

1791年，钛以含钛矿物的形式在英格兰的康沃尔郡被发现，发现者是英格兰业余矿物学家格雷戈尔（Reverend William Gregor），当时正业为负责康沃尔郡的克里特（Creed）教区的牧师 。他在邻近的 马纳坎 （ 英语 ： Manaccan ） 教区中小溪旁找到了一些黑沙，后来他发现了那些沙会被磁铁吸引 ，他意识到这种矿物（钛铁矿）包含着一种新的元素 。经过分析，发现沙里面有两种金属氧化物；氧化铁（沙受磁铁吸引的原因）及一种他无法辨识的白色金属氧化物（45.25%） 。意识到这种未被辨识的氧化物含有一种未被发现的金属，格雷戈尔对 康沃尔郡皇家地质学会 （ 英语 ： Royal Geological Society of Cornwall ） 及德国的《 化学年刊 （ 英语 ： Crell"s Annalen ） 》发表了这次的发现 。

大约就在同时，米勒·冯·赖兴斯泰因（Franz-Joseph Müller von Reichenstein）也制造出类似的物质，但却无法辨识它 。直到1795年，普鲁士化学家克拉普罗特（Martin Heinrich Klaproth）独立地从匈牙利的金红石中再度发现到这种氧化物 。克拉普罗特发现到它含有一种新的物质，并以希腊神话中的泰坦（Titans）为其命名 。 当他听闻到格雷戈尔较早前的发现之后，克拉普罗特取得了一些马纳坎矿物的样本，并证实它含钛。

从各种含钛矿物中提炼钛的过程既费工又昂贵；不能像对其他金属地用碳去还原钛，因为钛与碳加热时会生成碳化钛 。历史上最早制备出纯钛（99.9%），一直要到1910年，美国伦斯勒理工学院的亨特（Matthew A. Hunter）将四氯化钛和钠一起加热至700－800摄氏度，提炼出高纯度的钛，这种方法被称为亨特法 。但是这时钛的应用仍只限于实验室，直到1932年克罗尔（William Justin Kroll）证明出可以利用镁将四氯化钛还原以提炼出钛 。八年后他改良了这个过程，当中使用镁甚至是钠来还原钛，后来被称为克罗尔法 。尽管研究如何能更有效及便宜地提炼钛的工作仍然持续（例如FFC剑桥法），但是钛金属的商业提炼还在使用克罗尔法 。

  以克罗尔法制造出来的海锦钛

1925年，范·亚克（Anton Eduard van Arkel）及 德·波耳 （ 英语 ： Jan Hendrik de Boer ） （Jan Hendrik de Boer）发现了晶棒法（又称碘化物精炼法），即与碘反应后再用热灯丝从蒸气中分离出纯金属 ，利用这个方法可生产出少量的超纯钛。

在1950年代至60年代年间，苏联率先将钛用于军事及潜艇用途（661型潜艇、705型核潜艇、M级核潜艇） ，作为对冷战的部分规划 。 自1950年代初起，钛开始被用于各种军事航空用途，尤其是制造高性能喷射机，最初的机体包括F-100超级军刀及洛克希德A-12。

在美国，国防部意识到钛这种金属的战略重要性 ，并支持了钛早期的商业化行动 。在整个冷战时期期间，钛一直被美国政府视为战略材料， 国家防御储备中心 （ 英语 ： Defense National Stockpile Center ） 内有大量海锦钛库存，直至2005年用尽为止 。现时世界最大的钛生产商，是俄罗斯的 VSMPO-Avisma （ 英语 ： VSMPO-Avisma ） ，据估计这家公司的全球市场占有率达29% 。

2006年美国国防部国防高等研究计划署向两家公司联合拨款五百七十万美元，研发制造钛金属粉末的新方法。在热力与压力下，这种粉末可用于制作各种强度高且重量轻的物件，从装甲敷板到宇宙航行、运输、化工用元件 。

制备

  钛（精矿）

处理钛金属主要分四个步骤 ：一、把钛矿石还原成“海绵体”（一种透气的形态）；二、制造铸锭，熔化海绵体（或用海绵体加一种母合金）来形成铸锭；三、初步制造，把铸锭制成一般机械制品，如坯、棒、板、片、条及管；四、加工制造，把机械制品进一步加工成型。

由于钛在高温时会与氧气反应的关系，所以不能用还原反应来从氧化物中提炼钛 。因此商业上提炼钛金属要用到克罗尔法，一种既繁复又昂贵的分批处理法。（钛的市价相对地高，是因为在提炼的过程中，需要氧化另一种昂贵的金属——镁 。）在克罗尔法中，氧化物首先经过碳氯化，转化成氯化物，过程中氯气会在有碳的情况下，通过红热的金红石或钛铁矿，生成四氯化钛（TiCl 4 ）。氯化物经分馏法浓缩及提纯后，在800摄氏度的氩气中被熔镁还原成钛 。

一种最近开发的提炼法，FFC剑桥法 ， 日后有可能完全取代克罗尔法。此法的原料是粉末状的二氧化钛（一种精炼过的金红石），而最后成品则会是钛粉末或海绵体。假如在原料的粉末中混入粉末状的氧化物，那么成品就会是廉价钛合金，这样做比使用一般的多步熔化法要便宜得多。FFC剑桥法使钛不像从前那样的如此稀少和昂贵，可为航天工业及奢侈品市场提供更多的选择，同时可取代一些制品中的铝或特殊等级的钢。

一般钛合金是由还原反应所造出来的。例如，铜钛合金（把加了铜的金红石还原而成）、碳钛铁合金（把钛铁矿和焦炭用电炉还原而成）和锰钛合金（金红石加锰或氧化锰）都是经还原而成的 。

现时钛与钛合金共有大约50种指定品位，尽管市面上能容易买到的就只有六种 。美国材料试验协会（ASTM）承认31种钛金属及合位，其中1至4号品位在商业上属纯钛（非合金）。这四种品位以它们不同的抗拉强度区分，也就是含氧百分比，其中1号品位韧性最佳（抗拉强度低，含氧量0.18%），4号最差（抗拉强度高，含氧量0.40%） 。其余品位皆为合金，每一种配方都有其特定的用途，例如韧性、强度、硬度、电阻、抗蠕变及抗腐蚀（特定某种介质或同时多种） 。

美国材料试验协会所指定的品位及其他合金，亦会按照各种规格生产，例如宇宙航行及军事规格（SAE-AMS, MIL-T）、ISO标准、各国的特定标准以及用家所需的规格（宇宙航行、军事、医学及工业用） 。

至于加工方面，钛的所有焊接必需在氩或氦其中一种惰性气体中进行，否则钛会被空气中的氧、氮或氢等气体污染 。污染会引起各种情况，包括脆化，而脆化会减低焊接后的整体性，并导致连接失败。商业纯钛的扁平产品（片、板）制造起来很容易，但处理时必须注意钛金属有“记忆”特性，有弹回原形的倾向。有几种高强度合金更尤其如此 。钛金属一般可以用跟不锈钢一样的机器及方法处理 。

用途

  钛制圆柱体，品质为“2号品位”

钛是钢的一种合金用元素（ 钛铁 （ 英语 ： Ferrotitanium ） ），钛会缩小钢的 晶粒尺寸 （ 英语 ： Crystallite ） ，同时作为 脱氧剂 （ 英语 ： Deoxidization ） 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（TiO 2 ），一种超白的持久颜料，被用于制造涂料、纸张、牙膏及塑胶 。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TiO 2 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 （ 英语 ： brookite ） 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，防晒油也要用到二氧化钛，因为它本身就能保护皮肤 。

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 。SR-71“黑鸟”是最早在架构上广泛使用钛的机体，为现代军用及商用机体的钛应用铺好了路。据估计，生产波音777要用59吨钛，波音747要44吨，波音737要18吨，空中客车A340要32吨，空中客车A330要18吨，空中客车A320要12吨。空中客车A380可能要用146吨，其中引擎要26吨 。在引擎应用上，钛被用于转子、压缩机叶片、液压系统元件及 短舱 （ 英语 ： Nacelle ） 。在航空应用的钛合金中，钛-6铝-4钒占几乎50% 。

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 （ 英语 ： Hydrometallurgy ） 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 （ 英语 ： Wave soldering ） 及溅镀靶材 。

四氯化钛（TiCl 4 ）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。最新款的Corvette跑车可选配钛制排气系统 。

  西班牙毕尔包古根汉美术馆的外墙钛壁板

钛被用于各种体育用品：网球拍、高尔夫球杆、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 （ 英语 ： Farrier ） 也偏好使用钛，因为钛制的马蹄铁比钢制的更轻且更耐用 。

  适用于野外背包客的钛叉勺约重16克，比钢制餐具更轻，但比胶制的更坚固。

由于它的耐久性，钛制的名牌珠宝（尤其是 钛戒指 （ 英语 ： Titanium ring ） ）开始普遍起来 。钛的惰性成了要选择它的原因，特别是对有皮肤敏感或会在特定环境中（如游泳池）佩戴首饰的人。钛的耐久性、轻重量、防凹性及耐腐蚀性，使它成为生产手表外壳用的理想材料 。有些艺术家用钛来制作艺术品，例如雕塑、装饰品及家具 。

钛偶尔会被用在有关建筑的应用上：位于莫斯科高40米的加加林纪念柱，为纪念第一名太空人尤里·加加林而建造，就是以钛建成的 ，选用钛的原因是因为它吸引的颜色以及跟火箭技术的关连。西班牙的毕尔包古根汉美术馆及美国喜瑞都的千禧图书馆分别是欧洲和北美最早使用钛壁板护层的建筑 。其他使用钛壁板护层的建筑还有位于美国科罗拉多州丹佛艺术博物馆的汉密顿楼 ，及位于莫斯科高107米的征服太空纪念碑 。

比起枪支传统上用的金属（钢、不锈钢及铝），钛的强度低质量较为优胜，加上在金属制造上的发展，用钛来制造枪支开始变得普遍。基于同样的理由，笔记本电脑的主体也会用到钛（例如苹果的PowerBook系列） 。

有些高价位市场卖的工具，既轻量又耐腐蚀，例如铲子及手电筒，也会用钛合金制造。

医学

  小型钛片及螺丝被用于固定眼框骨折的断骨。

由于它的生物相容性（无毒及不被人体排斥），钛在医学上有广泛应用，当中包括外科用具及植入物，例如替换髋骨框及球关节，最长可用20年 。这种用途的钛一般与4%铝 或6%铝加4%钒制成合金。

钛有一种固有的 骨融合 （ 英语 ： Osseointegration ） 特性，使得钛制的 牙科植入物 （ 英语 ： Dental implant ） 能在原位上逗留30年。这种特性对 整形植入物 （ 英语 ： Internal fixation ） 而言亦相当有用 。使用钛的好处还有钛较低的彈性模量（楊氏模量），与骨较为接近，植入物是以修补骨骼为目的而造。因此骨骼负重会更平均地分布于骨及植入物之间，这样会减低骨质流失的机会，因为如果负重不均就会有应力遮闭（骨骼应力因植入物而减低所导致的骨质流失），以及外科植入物与骨之间的义肢周骨折。然而，钛合金的刚性仍是骨的两倍，所以植入物周边骨的受力仍是会大幅减少，并可能因此退化 。

由于钛不具铁磁性，有钛植入物的病人能安全地接受核磁共振成像的检查（这对有长期植入物的人士来说是很方便的）。准备植入人体的钛要经过等离子弧的高温加热，移除表面原子，新露出的表面随即被氧化 。

钛被制成 图像导引手术 （ 英语 ： Image-guided surgery ） 用的 外科器具 （ 英语 ： Surgical instrument ） ，还有轮椅、丁形拐杖及其他需要高强度低重量的产品。

危害

 荨麻的含钛量最高可达百万分之八十。

钛没有毒性，即使大剂量时也是如此，钛在人体中不会发生任何自然作用 。据估计，人每天会摄取约0.8毫克钛，但大部分都在没有被吸收的情况下通过 。然而，含有硅土的组织会出现生物累积钛的倾向。在植物中，一种未知的机制可能会用钛来刺激碳水化合物的生产并促进生长。这可能解释到为何大部分植物的含钛量约为百万分之1（ppm），而食用植物的含钛量则约为2ppm，木贼及荨麻更最高可达80ppm 。

粉末状的钛及刨削下来的钛薄片很容易引起火灾，而且在空气中会因加热而发生爆炸 。水及二氧化碳类的灭火法对燃烧中的钛无效；必须改为使用D类干粉灭火剂 。

当生产或处理氯气时，必须小心注意钛只能用在周围没有干氯气的地方，否则会引起钛／氯火灾 。即使是湿氯气也是火灾隐患，因为在异常的天气状况下湿氯气可能会意外地变干。

钛未经氧化的新表面与液态氧接触后可能会起火 。 这种表面可以由经氧化的钛表面跟硬物碰撞后所形成，或在力学应变导致的裂痕内形成。因此在液态氧的系统内使用钛很可能有限制，例如宇宙航行工业就会有这种系统。

参考书目

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