书城科普读物探索未知-趣味化学
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第2章 “大显神通”的金属——钛

如果有人问,飞机是用什么制造的?你一定会毫不犹豫地回答是铝镁合金。

是的,铝镁合金又轻又结实,在飞机制造业立下了汗马功劳,直到现在,它还是制造许多飞行工具的主要材料。

但是,随着航空工业的发展,飞机的飞行速度越来越快,与飞机表面相接触的一层空气,由于摩擦生热而使飞机表面的速度越升越高。这时候,铝镁合金就吃不消了,迅速就得降低。事实证明,允许最高工作温度仅200℃左右的铝合金,根本不能用来制造飞行速度超过音速两倍半的喷气式飞机,而用耐热的不锈钢来制造又太笨重。

那究竟用什么材料呢?

惟一的选择就是我们下面要结识的主角——钛和它的合金。一般来说,飞行速度超过2~3倍音速的飞机,就要用钛合金来制造,其他的金属很难胜任。

那么,钛都有哪些优良的性能呢?

钛最珍贵的特点是比重小,强度大,这方面它的性能比铍还要优越。

举例来说,钛比铁强韧得多,比重却只有铁的一半多一点,而且不会生锈。钛比铝稍微重一点,强度却比铝大3倍,它的耐热本领也远远大于铝。钛的比强度(强度和比重的比值)是不锈钢的3.5倍,铝合金的1.3倍,镁合金的1.6倍,是目前所有金属材料中最高的。

钛合金既能经受住400℃以上高温的锻炼(这点铝合金和不锈钢差远了,铝在150℃、不锈钢在310℃时都会丧失原来的优良性能),又能抗得起-100℃低温的考验。因此,钛和钛合金已经成为制造飞机、枪炮、船舰等现代武器不可缺少的材料。

比如,现代超音速喷气式飞机的发动机以及机身中的防火壁、机架、舱盖等,大部分就是用钛合金来制造的,一架巨型喷气式运输机上有上百万个紧固件,其中用钛量可达几吨甚至几十吨。有些超音速远程截击机,用钛量占它结构总量的95%,所以得到了“钛飞机”的称号。

既轻便又强韧的钛和钛合金,还可用来制造自动步枪、迫击炮以及装甲车、坦克的某些零件。这样做有很多好处,比如用钛合金代替钢材制造坦克的悬吊装置和履带之后,一下子就可以减轻重量40%,这对提高坦克的作战机动能力不是太有用了吗?

飞机之外,火箭、导弹、宇宙飞船等对制作材料提出了更多更高更严格的要求。在这方面,既轻又强韧,并且在高、低温条件都具有良好性能的钛发挥了作用。

这些年来,人们研究和试制了许多新型的钛合金,抗拉强度都在每平方毫米100千克之上。这类高强度的钛合金究竟用来干什么呢?

现在,钛和钛合金主要用来制造火箭和导弹的燃料和氧化剂的储存箱以及其他高压容器。另外,大量的钛被用来制造火箭,导弹的外壳,及宇宙飞船的船舱等。

你们也许知道,对于上天的火箭、导弹和宇宙飞船来说,重量实在是特别需要精细计算的。在火箭和导弹、宇宙飞船上使用钛和钛合金代替钢材后,体重可以减轻几十到几百千克,这样一点点的“减轻”就能很好改善它们的飞行性能。比如,远程导弹每减轻0.01千克,可以增加射程7.7千米,末级火箭每减轻1千克,可以减少30~100千克的发射总重量,射程可增加15千米以上。由于重量减轻,还能节省大量昂贵的高级燃料,降低建造和发射的费用。这样你就明白了,把钛称之为“空间金属”是当之无愧的。

你们手上都戴着手表,表壳闪闪发亮,无论多久也不会黯然失色。这是为什么呢?原来表壳是用抗蚀性很强的镍铬不锈钢做的。

钛的抗蚀本领比不锈钢强多了。在常温下,钛可以安然无恙地躺在各种强酸强碱的溶液中。就连最凶猛的酸——王水,也奈何不了它。特别在对海水的耐蚀性方面,钛的能力更强,可与大名鼎鼎的白金相媲美。

有人曾经把一块钛片沉到海底,5年以后取出来一看,上面粘了许多小动物和海底植物,却一点也没生锈,依旧亮闪闪的。

钛耐腐蚀,所以在化学工业上常常要用到它。过去,化学反应器中装热硝酸的部件都用的是不锈钢。不锈钢也怕那强烈的腐蚀剂——热硝酸,每隔半年,这种部件都要统统换掉。部件本身倒不贵,但每次更换时所花的费用和因停工而带来的损失,要比部件的价格高许多倍。现在,用钛来制造这些,虽然成本比不锈钢贵一些,但是它可以连续不断地工作5年,计算起来反而划算得多。

大家都看过电影,可你们知道吗,在电影的底片和正片制作中,要经过多道工序,需用多种强酸强碱药物,它们对洗印设备腐蚀十分严重。1980年西安电影制片厂首先在洗印设备上试用钛材,结果,过去几个月就被腐蚀平的送片齿轮,改用钛制齿轮后,运转1年多时间,丝毫没有腐蚀。

大家都知道,船舰终年航行在茫茫的大海上,水下部分必须是除锈涂漆的,否则很快就会变成“破铜烂铁”。而如果用钛和钛合金来制造军舰、潜艇和船舶的部件,那就可以避免这类麻烦和损失。用钛制造的潜水艇,重量减轻了,可比不锈钢制造的潜水艇潜水的深度增加80%,达到4500米以上。

钛对液体和固体的东西都不感兴趣,王水也奈何不了它。然而,钛对气体却十分投缘,喜欢跟氮、氧、氢、二氧化碳、水蒸气、甲烷等许多气体相结合。

这个“怪脾气”也可以为我们服务。

你不是已经不止一次地欣赏过节日夜晚五光十色的焰火吗?这里就有钛的一份功劳。当钛粉和氧气迅速结合而燃烧的时候,能够产生强烈的高温和光辉。焰火不但可以在节日里增强欢乐的气氛,而且可以作为军事上的信号弹,用来指示目标或传达命令。

在弧光灯中加进适量的钛的化合物,可以增加它的亮度。

利用钛对空气的强大吸收力,可以除去空气,造成真空。比如说,利用钛制成的真空泵,可以把空气抽到只剩下十万万分之一。

在冶金工业中,加少量的钛到钢或其他金属里,“吃掉”里面的气体和杂质,能够起到很好的脱氧除氮的作用,还能消除硫的有害影响,从而改善钢和其他合金的机械性能,提高它们的抗蚀能力。

教室的墙壁是白的,雪是白的,纸张是白的,世界上有很多东西是白的,可你们知道世界上最白的东西是什么吗?

世界上最白的东西是二氧化钛,它是一种雪白的粉末,是最好的白色颜料,俗称钛白。以前,人们开采钛矿,主要目的便是为了获得二氧化钛。钛白有很强的粘附力,在常温下很稳定,永远是雪白雪白的,特别可贵的是钛白无毒,不会对人体造成伤害。

1克二氧化钛可以把450多平方厘米的面积涂得雪白。它比常用的白颜料——锌钡白还要白五倍,因而是调制白油漆的最好颜料。世界上用作颜料的二氧化钛,1年多到几十万吨(1吨=1000千克,下同)。二氧化钛可以加在纸里,使纸变白而且不透明,因此,钞票纸和美术用品纸中都要加二氧化钛。在橡胶工业上,二氧化钛还被用作为白色的橡胶的填料。

喜欢读课外书的同学也许会知道,在海洋里,鱼类一般都是成群结队地游来游去。当渔民驾驶着渔船来到时,它们便躲到了水下,然而,渔民却对它们躲的地方清清楚楚,准确地撒下了渔网。那么,渔民是怎么知道鱼群躲的地方呢?

说来也简单,渔民有一个“宝贝”,它有一双锐利的“水下眼睛”,能透过海水“看到”鱼群的位置,再把这个消息报告给渔民,它的名字叫鱼群探测仪。

为什么鱼群探测仪会有这么一双锐利的“水下眼睛”呢?

原来,鱼群探测仪里有一种叫做钛酸钡的物质,钛酸钡的晶体有这么一个特别的脾气,当人们把它放在超声波中时,由于超声波对物体会产生一定的压力,它受到压力就会产生电流。相反,当人们给它通电时,它又可以产生超声波。

它的脾气真是怪极了。

利用钛酸钡的这个怪脾气,人们制成了鱼群探测仪。渔民先让高频电流通过钛酸钡的晶体,就产生了超声波,超声波可以在水中传播,当超声波碰到鱼群的时候,它们中的一部分就被鱼群挡了回来,钛酸钡接收到返回的超声波后,就会产生电流。这时,记时装置会记下超声波往返的时间,乘上超声波的速度,就可以计算出鱼群与渔船之间的距离。

鱼群探测仪就是这样发现鱼群的位置的。

此外,用钛酸钡还可以做成水底探测仪,它也有锐利的“水下眼睛”,它不只能看到鱼群,而且还可以看到水底下的暗礁、冰山和敌人的潜水艇等。