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1、1钛 钛及钛合金具有一系列特点如它的密度小、比强度高、耐热性能好、耐低温的性能 也好，它具有优良的抗蚀性能，并且它的导热性能差、无磁、弹性模量低，但是它具有很 高的化学活性。A. 钛原子结构和在周期表中的位置a. 钛原予结构钛的原子序数是22,原子核由22个质子和2032个中子组成。原子核半径为5x10- 13cm。原子核外22个电子结构排列为Is22s22p63s23p63d24s2。原子失去电子的能力用电 离能来衡量。钛原子的电离能见表2-1 。表 2-1 钛原子的电离能失去电子的次序名称电离能/J14s1.09x101824s2.17x101833d4.40x101843d7.06x10
2、1853P16.06x101863P19.51x101873P22.9x101883P27.8x1018由表2-1可见，钛原于的4s电子和3d电子的电离势较小，都小于8X10-18J，因此容 易失去这4个电子。3p电子的电离势都在16.06X10-18J以上，是根难失去的。所以，钛原 子的价电子是4s23d2，钛的最高氧化态通常是正四价。钛原子半径和离子半径见表22。表 2-2 钛原子半径和离子半径原子或离子TiTi+Ti2+Ti3+Ti4+半径r/nm0.1460.0950.0780.0690.064已发现钛有13种同位素，其中稳定同位素5个，其余8个为不稳定的微量同位素。钛 的同位素及其性
3、质列于表2-3。表 2-3 钛的同位素及其性质同位素质量数丰度/%辐射特征半衰期热中子捕获截面/m2热中子散射截面/m2420.001卩-,Y430.007卩-,Y0.58d440.001547a450.0015卩-,Y3.08h467.99稳定同位素(0.60.2)x10-28(3.31.0)x1028477.32稳定同位素(1.60.3)x10-28(5.21.0)x10284873.97稳定同位素(8.00.6)x1028(9.04.0)x1028495.46稳定同位素(1.80.5)x1028(2.81.0)x1028505.25稳定同位素0.2x1028(3.31.0)x102851
4、0.0001卩-,Y5.9min520.0001卩-,Y41.9min530.0001卩-,Y540.003卩-,Yb. 钛在周期表中的位置钛是元素周期表中第四周期的副族元素，即IVB族（又称为钛副族）元素。这族元素除钛 （22Ti）外，还有锆（40Zr）,铪（72Hf）和人工合成元素104Ku。钛、锆、铪原子的外层电子 结构分别为：TiAr3d24s2, ZrKr4d25s2, HfXe5d26s2。由此可见，钛族元素的原子具有相 似的外电子构型，即价电子都是d2S2，因而钛、锆和铪的原子半径相近，它们的许多性质也 相似，彼此可以形成无限固溶体。不过，钛、锆、铪及它们的化合物在性质上也有差异
5、。例 如，TiO2是两性氧化物，而ZrO2、HfO2为碱性氧化物；TiCl4是弱酸性化合物，而ZrCl4、 HfCl4则为两性化合物。IVA 族,即碳族元素的原子也和IVB族具有相似的外电子构型，不过其价电子不是d2S2， 而是S2P2。钛族与碳族是同周期元素，它们具有共性，即通常都表现最高氧化态为正四价。 碳族元素的金属性质随着原子序数的增加而递增，原子序数最小的碳（C）是非金属元素， 原子序数最大的铅（Pb）是金属元素。但是，钛族元素都具有金属性质，这是与碳族元素 的基本区别。钛与其相邻的IIIB族（dlS2）、VB族（d3S2）元素的原子最外层电子数相同，不同的是次 外层电子数。因为对元
6、素的化学性质发生主要影响的是最外层电子，次外层电子的影响就小 得多。所以，钛与IIIB族元素（钪、钇）和VB族元素（钒、铌、钽）在性质上也很相近， 钛可与这些元素形成无限固溶体。在自然界存在的铁矿物中，经常伴生有这些元素。B. 钛的物理性质、热力学性质和力学性质a.物理性质 .晶体结构金属钛具有两种同素异形态.低温（v882.5C ）稳定态为a型，密排六方晶系；高温稳 定态为卩型，体心立方晶系。aTi 的晶格参数，25C时为：a=（0.295030.00004）nm, c = （0.468320.00004）nm, c/a =1.58730.00004。由于aTi的c/a比值小于理想球形轴比1
7、.633，所以钛是可锻性金属。 aTi中存在的杂质对其晶格构造有很大影响，微量氧、氮的存在会使晶格沿c轴方向增长， 引起c值得增加，而a值实际上几乎不发生变化。PTi 的晶格参数，900C 时 a=（0.330650.00001）nm。 相变性质钛的两种同素异形态转化（aTipTi）温度为882.5C，由aTi转化为卩一Ti时，其 体积增加为 5.5。氧、氮、碳是 aTi 的稳定剂，在钛中存在氧、氮、碳杂质则会使相变 （aTifpT i）温度升高，从而可根据转化温度的变化来判断钛中杂质含量的多少。钛的晶型转化潜热为4.14kJ/mol。钛的熔点为16684C。由于熔融钛几乎可与一切耐火材料发生
8、作用，因此测量其熔点 潜热较为闲难。已测得钛的熔化潜热范围是15.4620.9kJ/mol。熔点时液钛的表面张力为 1.588N/m, 1730C时液钛的动力黏度为8.9x10-5m2/s。钛的沸点为326020C，汽化潜热为428.5470.3kJ/mol。钛的临界温度约为4350C，临界压力为113MPa。 .密度和线膨胀系数aTi的密度在20C时为4.5064.516g/cm3。因为钛与氧形成间隙固溶体时，其晶格发 生明显的畸变，所以当钛中含有氧时，其密度随之增加。aTi单晶的线膨胀系数是各向异性的，在0C时a轴方向为7.34x10-6/C, c轴方向为8.9x10-6/C。由于c轴方向
9、的线膨胀系数比a轴方向大，所以六方晶胞轴比c/a值随温度的 升高而增加。在20300C时aTi多晶的平均线膨胀系数为8.2x10-6/C。900C时pTi的密度为4.32g/cm3, 1000C时为4.30g/cm3；熔化钛密度(在熔点温度)为 (4.110.08)g/cm3。 .蒸汽压金属钛的蒸气压是很低的，在900C时仅为3x10-9Pa, 1000C时仅为1.5x10-sPa。固体 PTi的蒸气压P(Pa)与温度的关系式为：lgP=27017T-16.7681gT+6.11x10-4T+34.636 (1155.51933K)液相钛的蒸气压P(Pa)与温度的关系式为：lgP=22328T
10、-1 + 11.251 (1933 3575K) .导热性能钛的导热性较差，其导热系数比不锈钢略低。钛的导热性能与其纯度有关，杂质的存在 使钛的导热系数降低。纯钛的导热系数与温度的关系如图21所尔。在050K范围内，导热系数随温度升 高逐渐增加，在50K时达到最大值(36.8W/(mK)。高于50K时，导热系数随温度升高逐渐 减少，约在800K时达到最小值(24.6W/(mK)。高于800K时，导热系数随着温度升高略有 增加。纯钛的导热系数”W/(mK)可由下式计算：九=26.75 32.8x10-3t+8.23x10-5t29.7x10-8t3+4.6x10-12t4(t0C) .导电性能钛
11、的导电性能较差，近似于不锈钢。若以铜的电导率为100%，则钛仅为3.1%。钛中 杂质的存在，使其导电性能降低。钛的导电性随温度的变化关系如图22所示。3jOSA2駄旳电导率与涪爱玉去索aTi的电阻率随温度增高而增加，当达到相变(aTifpTi)温度时，电阻率突降。 PTi的电阻率随温度的升高略有增加。20C时，纯钛的电阻率为0.42即m。在不同温度下a纯钛的电阻率p (ydm)为：p = 0.385 + 1.75x103t7x1013t320 C时,工业纯钛的电阻率为0.556yQm。在不同温度下a工业纯钛的电阻率p(yQm) 为:p = 0.51+2.25x103t8.6x1010t3 超导
12、性钛具有超导性，它对于由杂质或冷加工所引入的晶格内应变是极其敏感的，属于“硬超导体”。纯钛的超导临界温度为0.380.4K。NbTi合金是超导材料。 磁性质金属钛是无磁性物质，磁化系数aTi 3.2x10-6 (20C),卩一Ti 4.5x10-6 (900C)。 光学性质温度高于800C时，aTi对入射光波长为652nm的发射率为0.459； 900C的卩一Ti为0.484, 1000C的pTi为0.482。钛的光学性质列于表24中。表 24 钛的光学性质光学性质名称入射波长/nm400450500550580600650700反射率e/%53.354.956.657.0557.5557.9
13、59.061.5折射指数1.882.102.3252.542.652.763.033.30吸收系数2.692.913.133.343.433.493.653.81钛表面氧化膜对钛的光反射能力影响很大，氧化膜的存在显著降低对可见光的反射能力；对紫外光的反射能力影响较小。b.热力学性质 比热容aTi的比热容随温度的升高而增加(图23),当温度趋近晶型转化温度(1155.5K) 时，比热容急剧升高，达到2.62J/(gK)。超过相变温度后，比热容随温度升高而下降O298K 时定压比热容Cp为0.52J/(gK)。aTi：=0.462+0.215x10-3T (2981155K)PTi：=0.413+
14、0.165x10-3T (1155 1933K)熔融钛为0.74J/(gK)气体钛：=0.5532x10-4T+1.285x10-9T21.74x10-11T3(2004000K) 焓钛在298K时钛的焓为100.2J/goaTi： HT H0 =0.457T+1.12x10-4T2+83T-145.7(2001500K)PTi： HT H0 =159+0.360T+1.09x10-4T2(11551900K) 熵钛在298K时钛的熵为0.64J/(gK)。aTi： ST =0.815+6.8x10-4T112.7T-1(1601100K)PTi： ST =0.714+8.5x103T1.3x107T2(12001900K)液相钛： S0T=1.17+1.29x104T5.68x108T2(20003000K)CCqai1133200 4W WO SW12W 14007/K02-3钛的摩邪定压比热容与温度的关亲C. 力学性质钛具有可塑性。高纯钛的延伸率可达50%60%
