鈦的用途和應(yīng)用領(lǐng)域
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鈦的產(chǎn)業(yè)鏈
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鈦產(chǎn)業(yè)鏈可以分為以下四個(gè)部分:
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1. 鈦鐵礦、金紅石等原始礦產(chǎn)的選礦,通過(guò)物理方法取得品位更高的精礦
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2. 通過(guò)對(duì)精礦的再加工提純,制取高純度的二氧化鈦,用于鈦白粉行業(yè)。
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3. 通過(guò)對(duì)二氧化鈦的氧化、還原等工藝手段生成四氯化鈦,制取中間產(chǎn)品海綿鈦
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4. 通過(guò)對(duì)海綿鈦的熔鑄加工,制取晶體結(jié)構(gòu)致密的鈦錠,用于生產(chǎn)鈦材及各種鈦合金
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海綿鈦
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鈦白粉及其應(yīng)用
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鈦金屬和鈦合金應(yīng)用
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鈦是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬,鈦合金具有密度低、比強(qiáng)度高、耐蝕性好、導(dǎo)熱率低、無(wú)毒無(wú)磁、可焊接、生物相容性好、表面可裝飾性強(qiáng)等特性,廣泛應(yīng)用于航空、航天、化工、石油、電力、醫(yī)療、建筑、體育用品等領(lǐng)域。世界上許多國(guó)家都已經(jīng)認(rèn)識(shí)到鈦合金材料的重要性,相繼對(duì)其進(jìn)行研究開(kāi)發(fā),并得到了實(shí)際應(yīng)用。
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2011年,全球商業(yè)航空的消費(fèi)比例達(dá)到46%,軍用鈦材比例為9%(主要為軍用航空),整個(gè)航空領(lǐng)域消耗鈦材比例超50%;工業(yè)消耗鈦材比例為43%,新興市場(chǎng)消費(fèi)鈦材比例為2%。
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鈦制品需求結(jié)構(gòu)在地區(qū)上存在明顯差異。在擁有發(fā)達(dá)的航空航天和軍工國(guó)防工業(yè)的北美和歐盟地區(qū),尤其是美國(guó),大約50%以上的鈦制品需求來(lái)自于航空航天和軍工國(guó)防領(lǐng)域。而在日本,來(lái)自化工等行業(yè)的工業(yè)用鈦占據(jù)了需求的主導(dǎo)地位。據(jù)日本鈦協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì),航空航天只占到日本鈦需求的2%-3%。與日本的情況頗為類似,我國(guó)鈦制品需求大部分來(lái)自化工和能源領(lǐng)域,航空航天只占到10%。雖說(shuō)中國(guó)已成為全球最大的鈦金屬生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)之一,不過(guò)大部分生產(chǎn)一直局限于等級(jí)較低的鈦,用于自行車架、高爾夫球桿或化工行業(yè)使用的防腐管材。 但是近年來(lái)航空航天用鈦量在亞洲地區(qū)出現(xiàn)明顯增長(zhǎng),可見(jiàn),鈦市場(chǎng)的前景比較光明。
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航空航天領(lǐng)域
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航空航天領(lǐng)域用鈦大國(guó)集中在西方國(guó)家,尤其是美國(guó),60%的鈦材都應(yīng)用到這個(gè)領(lǐng)域。亞洲國(guó)家,日本和中國(guó)在此領(lǐng)域中鈦的投入量均在10%左右。但是近年來(lái)隨著亞洲航空航天的飛速發(fā)展,鈦在航空航天領(lǐng)域的消費(fèi)量將會(huì)隨之增長(zhǎng)。從全球角度來(lái)看,航空業(yè)對(duì)鈦市場(chǎng)起著決定性的作用,從歷史上看,鈦行業(yè)大的周期輪回都和航空業(yè)的冷暖密切相關(guān)。
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2011年,全球鈦材產(chǎn)量達(dá)到14.8萬(wàn)噸,其中商用航空用鈦材約6.4萬(wàn)噸,未來(lái)全球經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)對(duì)航空運(yùn)輸?shù)男枨罅恳廊痪薮?,預(yù)計(jì)未來(lái)20年新增飛機(jī)需求約在3萬(wàn)架左右,同時(shí),新型飛機(jī)對(duì)鈦的需求量高于老式飛機(jī),預(yù)計(jì)20年內(nèi)商用飛機(jī)對(duì)鈦材的平均需求量將達(dá)到40噸/架;據(jù)此推算,未來(lái)20年全球商用航空領(lǐng)域新增鈦材需求約120萬(wàn)噸,年復(fù)合增長(zhǎng)率約17%,平均每年新增6萬(wàn)噸鈦材需求,民用航空用鈦材領(lǐng)域?qū)⒊尸F(xiàn)快速增長(zhǎng)。軍用航空領(lǐng)域也將出現(xiàn)新的機(jī)會(huì);由于全球地緣政治形勢(shì)緊張,全球各國(guó)軍費(fèi)開(kāi)支增加,軍用航空領(lǐng)域也有望出現(xiàn)新的需求。
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民用客機(jī)
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鈦合金在飛機(jī)的主要用途如下:
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(1)減輕結(jié)構(gòu)重量、提高結(jié)構(gòu)效率:先進(jìn)的戰(zhàn)技性能(如超音速飛機(jī))要求飛機(jī)具有比較低的結(jié)構(gòu)重量系數(shù)(即:機(jī)體結(jié)構(gòu)重量/飛機(jī)正常起飛重量),而鈦合金具有強(qiáng)度接近中強(qiáng)鋼但密度小的特點(diǎn),代替結(jié)構(gòu)鋼和高溫合金,能大幅度減輕結(jié)構(gòu)重量,同時(shí)也能節(jié)省費(fèi)用;以發(fā)動(dòng)機(jī)為例,有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量每降低一公斤,使用費(fèi)用可降低約220-440美元。
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(2)符合高溫部位的使用要求:鈦合金具有耐熱性好的特點(diǎn),如常用的Ti-6Al-4V能在350℃下長(zhǎng)期工作,因此在飛機(jī)的高溫部位(如后機(jī)身等)可取代因高溫使用性能不能滿足要求的鋁合金;TC11能在500℃下長(zhǎng)期工作,在發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)部位可取代高溫合金和不銹鋼。
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(3)符合與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)相匹配的要求:為減輕結(jié)構(gòu)重量和滿足隱身要求,先進(jìn)飛機(jī)大量使用復(fù)合材料,鈦合金與復(fù)合材料的強(qiáng)度、剛度匹配較好,能獲得很好的減重效果。同時(shí),由于二者電位比較接近,不易產(chǎn)生電偶腐蝕,因此相應(yīng)部位的結(jié)構(gòu)件和緊固件宜采用鈦合金。
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(4)符合高抗蝕性和長(zhǎng)壽命的要求:鈦合金具有較高的疲勞壽命和優(yōu)良的耐腐蝕性能,可以提高結(jié)構(gòu)的抗腐蝕能力和壽命,滿足先進(jìn)飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)高可靠性和長(zhǎng)壽命的要求。
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軍事飛機(jī)
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軍用武器的開(kāi)發(fā)與采購(gòu)不斷向著輕便、靈活方向發(fā)展,為了滿足戰(zhàn)斗機(jī)對(duì)戰(zhàn)斗性能要求,除了采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)外,還必須采用額性能優(yōu)良的材料以及先進(jìn)的工藝制造技術(shù)。大量選用鈦合金、提高先進(jìn)鈦合金應(yīng)用水平就是重要措施之一。自20世紀(jì)60年代以來(lái),國(guó)外軍用飛機(jī)的鈦量逐年增加,當(dāng)前歐美設(shè)計(jì)的各種先進(jìn)軍用戰(zhàn)斗機(jī)和轟炸機(jī)中鈦合金用量已經(jīng)穩(wěn)定在20%以上,并且新機(jī)型的用鈦量占比正在大幅提升。
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汽車行業(yè)
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降低燃油消耗、減少有害廢棄物(CO2、NOX 等)排放已經(jīng)成為汽車行業(yè)技術(shù)進(jìn)步的主要?jiǎng)恿头较蛑?。研究表明,輕量化是實(shí)現(xiàn)節(jié)省燃料、減少污染的有效措施。汽車的質(zhì)量每降低10%,燃料消耗可節(jié)省8%-10%,廢氣排放可減少10%。在駕駛方面,汽車輕量化后加速性能提高,車輛控制穩(wěn)定性、噪音、振動(dòng)方面也都有改善。從碰撞安全性考慮,汽車輕量化后,碰撞時(shí)慣性小,制動(dòng)距離減少。
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汽車輕量化的首選途徑就是用高比強(qiáng)度的輕質(zhì)材料,如鋁、鎂、鈦等替代傳統(tǒng)的汽車材料(鋼鐵)。2009年全球汽車用鈦量已達(dá)3000噸。鈦在賽車上的應(yīng)用已有許多年的歷史目前賽車幾乎都使用了鈦材,日本汽車用鈦已超過(guò)600噸,隨著全球汽車工業(yè)的發(fā)展,汽車用鈦還在快速增加。
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汽車使用鈦的優(yōu)點(diǎn)有:減輕重量,降低燃料消耗;改善動(dòng)力傳輸效果,降低噪音;減少振動(dòng),減輕部件載荷;提高車的持久性及環(huán)境保護(hù)。
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醫(yī)療行業(yè)
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化工行業(yè)
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鈦具有優(yōu)良的耐腐蝕性能、力學(xué)性能和工藝性能,被廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)許多部門(mén)。特別是在化工生產(chǎn)中,用鈦代替不銹鋼、鎳基合金和其它稀有金屬作為耐腐蝕材料。這對(duì)增加產(chǎn)量,提高產(chǎn)品質(zhì)量,延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命,減少消耗,降低能耗,降低成本,防止污染,改善勞動(dòng)條件和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率等方面都有十分重要的意義。
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鈦金屬已成為化工裝備中主要的防腐蝕材料之一,并在化工裝置中已確立了他的耐腐蝕地位。作為化工設(shè)備中的理想材料,鈦也愈來(lái)愈引起工程技術(shù)人員的重視。
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經(jīng)過(guò)多年的推廣,鈦及其合金已作為一種優(yōu)異的耐腐蝕結(jié)構(gòu)材料在化工生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。目前鈦設(shè)備的應(yīng)用已從最初的純堿與燒堿工業(yè)擴(kuò)展到氯酸鹽、氯化銨、尿素、有機(jī)合成、染料、無(wú)機(jī)鹽、農(nóng)藥、合成纖維、化肥、和精細(xì)化工等行業(yè),設(shè)備種類已從小型、單一化發(fā)展到大型、多樣化。
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調(diào)查結(jié)果表明鈦換熱器占57%,鈦陽(yáng)極占20%,鈦容器占16%,其他占7%。在化學(xué)工業(yè)中以“兩堿”為主,化工設(shè)備中鈦換熱器用量最大。
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近年來(lái),我國(guó)鈦材的生產(chǎn)技術(shù)提高迅速,航空航天用鈦,軍事用鈦,汽車用鈦等增長(zhǎng)都很迅速,尤其是航空航天領(lǐng)域,有趕超化工用鈦的趨勢(shì)??傮w而言,化工用鈦的技術(shù)含量小,產(chǎn)品附加值低,化工用鈦比例不可避免會(huì)逐步下降。
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海洋工程
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隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和陸地資源日趨枯竭,人類開(kāi)發(fā)利用海洋已經(jīng)提到日程上來(lái)了。鈦對(duì)于海水有優(yōu)異的耐蝕性能,大量運(yùn)用于海水淡化、艦船、海洋熱能開(kāi)發(fā)和海底資源開(kāi)采等領(lǐng)域。
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早在20世紀(jì)60年代,我國(guó)就已經(jīng)開(kāi)始了對(duì)鈦及鈦合金在船舶及海洋工程裝備上的應(yīng)用研究,并做了大量工作,已基本形成了牌號(hào)較多、性能各異、品種規(guī)格齊全的船用鈦合金體系。由于鈦及鈦合金自身所具備的特性,使其在艦船以及海工裝備的應(yīng)用上具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì),因而被廣泛應(yīng)用于核潛艇、深潛器、原子能破冰船、水翼船、氣墊船、掃雷艇以及螺旋槳推進(jìn)器、海水管路、冷凝器、熱交換器等。
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在艦船應(yīng)用方面,目前我國(guó)艦船用鈦量非常少,占船舶總重量的比例不超過(guò)1%,艦船及海工裝備用鈦及鈦合金領(lǐng)域發(fā)展?jié)摿薮?。此外,在海水淡化以及濱海電站方面,由于我國(guó)目前海水淡化以及濱海電站市場(chǎng)需求巨大,在進(jìn)一步降低鈦合金成本以及提高產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性的情況下,鈦的市場(chǎng)應(yīng)用前景將非常廣闊。
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日常生活
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鈦在日常生活中的應(yīng)用非常廣泛,可謂無(wú)處不在,例如高爾夫球頭、自行車車架、網(wǎng)球拍、輪椅、眼鏡架等都會(huì)應(yīng)用到鈦。
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鈦以其輕質(zhì)、強(qiáng)度高的特性在體育用品中的應(yīng)用,從最早的網(wǎng)球拍、羽毛球拍逐步擴(kuò)展到了高爾夫球頭、球桿以及賽車等。2008年我國(guó)體育休閑占總消費(fèi)量的13%,其中僅高爾夫球頭和球桿的用鈦量就超過(guò)了1000噸。鈦合金做成的自行車車架也頗受歡迎,目前有近50價(jià)公司生產(chǎn)鈦?zhàn)孕熊?,美?guó)早已是最大的鈦?zhàn)孕熊嚿a(chǎn)商和消費(fèi)國(guó)。鈦輕質(zhì)的特點(diǎn)也應(yīng)用到眼鏡架中,而且鈦又不易與皮膚發(fā)生過(guò)敏,并且鈦表面經(jīng)陽(yáng)極處理可有絢麗色彩,因此從20世紀(jì)80年代初就開(kāi)始應(yīng)用于鏡架中。
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近幾年,鈦在人類日常生活中的應(yīng)用在不斷擴(kuò)展,且發(fā)展速度很快,應(yīng)用技術(shù)也更趨成熟、完善。在鈦的日常生活品應(yīng)用方面,美國(guó)和日本走在前面。
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海綿鈦是指用鎂或鈉還原四氯化鈦獲得純度為98.5%-99.7%的海綿狀金屬鈦。是鈦工業(yè)生產(chǎn)中的最主要原料。海綿鈦是整個(gè)鈦金屬生產(chǎn)中的一個(gè)初級(jí)產(chǎn)品,需經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的熔鑄得到鈦錠即工業(yè)純鈦,然后才能加工成相應(yīng)的鈦材或鈦合金。
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海綿鈦的制取:目前工業(yè)上主要有鎂熱還原法(Kroll)法、鈉熱還原法(Hunter法)和熔鹽電解法。鎂熱還原法的優(yōu)點(diǎn)是還原劑鎂可以循環(huán)使用,單爐產(chǎn)能大。相對(duì)的,鈉熱還原法產(chǎn)品質(zhì)量更好,金屬雜質(zhì)含量低,但是單爐生產(chǎn)能力小,鈉耗量大。而熔鹽電解法尚處于半工業(yè)試驗(yàn)階段。
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鈦白粉學(xué)名二氧化鈦(TiO2),是一種十分穩(wěn)定的氧化物,具有優(yōu)良的光學(xué)和顏料性能,主要用作白色無(wú)機(jī)顏料。它的無(wú)毒、最佳的不透明性、最佳白度和光亮度,被認(rèn)為是目前世界上性能最好的一種白色顏料,廣泛應(yīng)用于涂料、塑料、造紙、印刷油墨、化纖、橡膠、化妝品等工業(yè)。
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鈦白粉工業(yè)生產(chǎn)方法有硫酸法和氯化法兩種:硫酸法生產(chǎn)工藝成熟,設(shè)備簡(jiǎn)單,但缺點(diǎn)是生產(chǎn)流程長(zhǎng),對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重;氯化法技術(shù)先進(jìn),產(chǎn)能大,產(chǎn)品質(zhì)量高,白度和粒度分布范圍窄,同時(shí),氯氣還可以循環(huán)使用,缺點(diǎn)就是對(duì)原料要求太嚴(yán)格,原料必須是TiO2含量 90%-95%的天然或人造金紅石或鈦渣。
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硫酸法鈦白粉生產(chǎn)工藝
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氯化法鈦白粉生產(chǎn)工藝
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二氧化鈦有三種晶體形態(tài),分別為金紅石型、銳鈦型和板鈦型。其中板鈦型不能用作顏料使用,在工業(yè)中作為顏料使用的主要是銳鈦型和金紅石型鈦白粉。
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銳鈦型鈦白粉具有純度高、粒子細(xì)小均勻、光學(xué)性能好、折射力強(qiáng)、消色力高、遮蓋力強(qiáng),且吸油量低、水分散性高等優(yōu)點(diǎn),主要用于涂料、油墨、化纖、橡膠、玻璃、化妝品、肥皂、塑料和造紙等工業(yè)。金紅石型鈦白粉除具有銳鈦型鈦白粉的優(yōu)點(diǎn)外,還具有更好的耐候性和遮蓋力,主要用于高級(jí)工業(yè)顏料、有光乳膠涂料、塑料,有較高消色力和耐曬要求的橡膠材料、高級(jí)紙張涂料層和蠟紙等。從顏料性能看,金紅石型鈦白粉優(yōu)于銳鈦型鈦白粉,金紅石型鈦白粉中又以經(jīng)表面包覆處理的產(chǎn)品居多。2010年,我國(guó)金紅石型鈦白粉占鈦白粉總量的57%,遠(yuǎn)低于世界90%的水平。未來(lái)我國(guó)金紅石型鈦白粉比重還有較大的提升空間。
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目前,鈦白粉行業(yè)正在經(jīng)歷三大調(diào)整:(1)世界鈦白粉產(chǎn)量增長(zhǎng)相對(duì)緩慢,而亞太地區(qū)尤其是我國(guó)的鈦白粉產(chǎn)量快速增長(zhǎng),世界鈦白粉行業(yè)向亞太地區(qū)尤其是我國(guó)進(jìn)行轉(zhuǎn)移的態(tài)勢(shì)非常明顯;(2)隨著下游對(duì)鈦白粉性能提出更高的要求,對(duì)鈦白粉進(jìn)行包膜處理成為重要手段,各種專用型鈦白粉不斷涌現(xiàn),鈦白粉行業(yè)由通用品向?qū)S闷贩较虬l(fā)展方興未艾;(3)鈦白粉分為銳鈦型和金紅石型兩種類型,銳鈦型鈦白粉盡管因其較高的性價(jià)比仍舊占據(jù)部分市場(chǎng)份額,但是金紅石型鈦白粉以其優(yōu)異的性能仍是行業(yè)未來(lái)發(fā)展的大趨勢(shì)。在我國(guó)鈦白粉產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中,金紅石型鈦白粉所占的比例不斷提升,約占57%,但是仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界90%的比例。我國(guó)鈦白粉產(chǎn)品結(jié)構(gòu)正積極向金紅石型鈦白粉方向轉(zhuǎn)變。綜上所述,我國(guó)鈦白粉行業(yè)尤其是專用金紅石型鈦白粉前景依然看好。
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鈦在醫(yī)療領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。鈦與人體骨骼接近,對(duì)人體組織具有良好的生物相容性、無(wú)毒副作用。人體植入物是與人的生命和健康密切相關(guān)的特殊的功能材料。同其它金屬材料相比較,使用鈦及鈦合金的優(yōu)勢(shì)主要有以下幾點(diǎn):1 質(zhì)輕;2 彈性模量低;3無(wú)磁性;4 無(wú)毒性;5 抗腐蝕性;6 強(qiáng)度高、韌性好。外科植入物中的鈦合金用量正以每年5%-7%的速度增長(zhǎng)。采用鈦及鈦合金制造的股骨頭、髖關(guān)節(jié)、肱骨、顱骨、膝關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、掌指關(guān)節(jié)、頜骨以及心辨膜、腎辨膜、血管擴(kuò)張器、夾板、假體、緊固螺釘?shù)壬习俜N金屬件移植到人體中,取得了良好的效果,被醫(yī)學(xué)界給予了很高的評(píng)價(jià)。