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日常生活中不能没有金属"钛"

发布时间:2017-03-15
  信用卡分类为:普卡、金卡、白金卡及钛金卡,其中钛金卡最为尊贵,如图1。钛(Titanium)化学符号Ti,原子序22,是一种银白色的金属,其特点为重量轻、强度高、具金属光泽,亦有良好的抗腐蚀能力。钛最有用的两个特性是:抗腐蚀性及金属中最高的强度-重量比。在非合金的状态下,钛的强度和钢相同,但却轻很多,中钢公司积极发展钛金属,并推出钛杯,如图2.中钢钛杯。钛是西元1791年由格雷戈尔(R.W.Gregor)牧师,于英国康沃尔郡发现,他把这项发现呈报给皇家地质学会,另外写了一篇论文发表在德国的科学杂志上。4年后,由德国化学家克拉普洛斯(M.H.Klaproth)确认此新元素并以希腊神话泰坦(Titans)的名字命名为钛(Titanium)。由于它的高抗拉强度-密度比、优良的抗腐蚀性、抗疲乏性、抗裂痕性及能够抵挡高温,钛合金被用于航空太空工业。生产波音737/777及787等客机及空中巴士客机,要用到大量的钛金属。日常生活中钛金属可用于眼镜框架,表面可使用PVD镀膜上氮化钛(TiN)薄膜涂层成黄色,氮化钛具有耐磨抗刮痕等特性。
 

图 1 信用卡分类为 : 普卡、金卡、白金卡及钛金卡,其中钛金卡最尊贵。


图2 钛杯


图 3 钛金属眼镜框架,表面使用PVD镀膜上氮化钛薄膜涂层成黄色。
 
  钛的化合物二氧化钛(TiO2)最常使用于日常生活中,如图4二氧化钛为白色粉末,可用于制造白色颜料,日常生活中二氧化钛可用于牙膏、白色修正液、油墨颜料、塑胶添加物,化妆品及食品添加物等生活必需品中。21世纪以来「环境保护」及「绿色能源」已成为全球人类最迫切需要创新的二大议题,最近几年世界各地的研究机构无不积极地投入人力及物力资源以进行研发。其中用于日常生活中传统二氧化钛的尺寸主要介于300纳米至600纳米间,呈现白色粉末。科学家发现纳米二氧化钛的尺寸介于15纳米和25纳米间,呈现透明薄膜并且具有光触媒特性,纳米二氧化钛为感光性半导体,能够吸收小于436纳米波长的紫外光电磁幅射,其介于价电子带(Valence Band)和传导电带(Conductivity Band)的能量差异为3.05电子伏特。纳米二氧化钛吸收紫外光后会产生电子激发从价电子带转移至传导电带,电子激发后留下的电洞(Electron Hole)则向相反方向移动,纳米二氧化钛固体表面的氧化还原反应(Redox Reaction)因此产生。纳米二氧化钛光触媒在紫外光电磁幅射光源照射下利用特定波长光源的能量来催化产生氧化还原反应作用,使周围之氧气及分子激发成具有活性的.OH及.O2自由离子基,这些氧化力极强的自由基离子能够分解对人体或环境有害的有机物质及部份无机物质。制造氧化威力强大的自由基能使纳米二氧化钛光触媒具有抑菌、杀菌、无毒性、脱臭、亲水及自洁等特性,促成纳米二氧化钛光触媒成为理想环保产品。光触媒能有效防止烟尘、花粉、细菌、病毒、有害气体的危害。以光触媒产生的强效氧化作用,去除捕捉到的浮游细菌,去除率高达百分之九十九。而光触媒产生强效氧化,使通过光触媒的空气中病毒的蛋白质氧化变质,如此可以让病毒不具活性化,抑制病毒活动。并可分解汽车排出的废气、油漆及装潢材料发出的建材异味,去除有害气体,并且可以除臭。
 

图 4 二氧化钛白色粉末。


图 5 奈米二氧化钛光触媒是在光源照射下利用特定波长光源的能量来产生催化的作用
 
  纳米二氧化钛光触媒具有氧化还原功能,结合太阳光能以环境保护为主要诉求。纳米二氧化钛光触媒可应用于杀菌除臭及防污方面,包含吸附,光化学反应及脱附等反应机构。纳米二氧化钛光触媒将有毒有机化合物去除可以如下化学反应来表示:
 
  Organicmolecules→CO2+H2O
 
  OrganicN-compounds→HNO3+CO2+H2O
 
  OrganicS-compounds→H2SO4+CO2+H2O
 
  OrganicCl-compounds→HCl+CO2+H2O
 
  图5表示纳米二氧化钛光触媒是在光源照射下利用特定波长光源的能量来产生催化作用的反应机构。
 

图 6 奈米二氧化钛染敏太阳能电池的元件结构


图 7 氮化钛 (TiN) 在半导体元件金属接点之间的导电阻挡层示意图。


图 8 为钛金属用于人工假牙。
 
  瑞士科学家格雷策尔(Gratzel)教授于西元1991年採用纳米结构的二氧化钛电极材料及可见光吸收染料,产生光电效率超过百分之十二的太阳能电池。纳米二氧化钛染敏太阳能电池的工作原理主要结合纳米二氧化钛电极与可见光吸收染料而制造出高效率电子转移介面的元件,避开传统太阳能电池需要昂贵半导体晶圆材料,可说是第三代太阳能电池。此类型太阳能电池的工作原理是藉由染料做为可见光吸收光材。染料中价电层电子受光激发,氧化钛跳跃至高能阶层,进而传导至纳米二氧html化钛半导体的导电带,再经由电极引至外部。失去电子的染料则经由电池中碘及碘化钾电解质得到电子,电解质是由碘(I)及碘离子(I3+)溶解于有机溶剂中形成。此型电池的结构为三明治结构,上下均为玻璃,玻璃内面则为导电层。纳米二氧化钛染敏太阳能电池的元件结构如图6所示。
 
  氮化钛(TiN)涂层广泛用于金属表面以保持机械模具的耐腐蚀性,如鑽头和铣刀,氮化钛薄膜可用于微电子领域,作为半导体元件金属接点之间的导电阻挡层。而将薄膜扩散到金属硅中,它的电导率(30-70μΩ•cm)足以形成良好的导电连接。这种特殊的导电阻挡层还具有陶瓷的化学及机械性能,此技术大量用于当前的纳米晶片设计中以提高电晶体的性能。图7为氮化钛(TiN)在半导体元件金属接点之间的导电阻挡层示意图。
 
  由于钛的生物相容性(无毒及不被人体排斥),钛在医学上有广泛应用,钛有一种固有的骨骼融合特性,使得钛制的牙科植入物能在原位上逗留30年。这种特性对整形植入物而言亦相当有用。使用钛的好处还有钛较低的弹性模数(杨氏模数),与骨较为接近,植入物是以修补骨骼为目的而设计。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,图8.为钛金属用于人工假牙。
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