■耀德講堂 / 邱耀弘 博士
前言
主編在閱讀眾多文章後，覺得蘇明德 榮譽教授（嘉義大學應用化學系）的文章最淺顯易懂，依此編寫本文並經過修改內容。原始文章發表於臺灣科學發展雜誌第426 期，2008 年6 月。
起源
曾被賦予「未來的金屬」、「生物親和的金屬」、「陸海空的三用金屬」、「宇宙航行的金屬」等稱號，但你可能還不瞭解鈦到底是何方神聖。如果有人問：「造飛機是用什麼製造的？」你一定會立即回答：「鋁合金。」不錯，鋁合金在飛機製造歷史上確實立下了大功，直到現在還是許多飛行器的主要材料。不過，隨著飛機飛行速度的加快，由於摩擦生熱使飛機表面溫度不斷升高，這時不耐溫度的鋁合金就吃不消了，而用耐熱的不鏽鋼又使得整體設計加重，這可怎麼辦？別急，鈦和鈦合金可以解決這個問題。鈦是化學週期表的第22 號元素（第四週期過渡金屬元素，人類最常使用的金屬材料都在此附近），符號是Ti。也許大家對鈦比較生疏，但是在地殼中的蘊藏量居週期表中的第10 位，在金屬中次於鋁、鐵、鈣、鈉、鉀和鎂，它的主要礦物有鈦鐵礦(FeTiO3)、金紅石(TiO2) 和組成複雜的釩鈦鐵礦，著名的產區是在蘇聯和大陸熱河省灤平縣也有豐富的蘊藏量，河北省冀東一帶也有礦苗的發現，世界上已探明的鈦儲藏量約有一半分布在中國大陸。
圖１：（左）第一位發現氧化鈦的格瑞葛 牧師(R.W. Gregor, 1761 － 1817)；（中）確認鈦元素的德國化學家 克拉普洛斯(Klaproth, Martin Heinrich, 1743-1817)；（右）首位提煉純金屬鈦的亨特(Matthew A. Hunter)
如果沒有鈦元素，就算有製造3 倍音速飛機的技術也沒有用。首先，介紹一下鈦如何被發現的。其實發現者相當不尋常，因為發現鈦的是一位神職人員─英國業餘礦物學家 葛瑞格 牧師，地點位於英國科沃爾郡(Cornwall) 的一個偏遠村莊。葛瑞格 牧師分析他在孟納坎(Menaccan) 教區附近發現的一粒黑色沙粒，他之所以覺得這粒沙子很奇怪是因為它會被磁鐵吸住，他盡其所能去分析並推測出它是由兩種金屬氧化物組成的，其中之一是氧化鐵所以有磁性，但他無法知道另一種是什麼。他的科學素養只能讓他瞭解到這可能是某種尚未被人發現的金屬氧化物，他把這項發現呈報給英國皇家地質學會，另外寫了一篇論文發表在1791 年的德國科學雜誌C re l l ’s Ammalen 上。經過4 年後，由德國化學家克拉普洛斯確認了是鈦元素，並以希臘神話中「泰坦(Titans)」命名，這是希臘神話中曾經統治世界的巨人族中的一位成員名字命名為鈦(Titanium)。發現者和確認者如圖1 的手繪肖像。然而前面兩位都沒能將氧化鈦提純成為純金屬鈦，直到1910 年美國化學家亨特才成功的利用置換法提煉出高純的鈦金屬。
提煉工藝與難點
在自然界中，鈦無法以純物質出現，而是以穩定的氧化物出現，而且鈦的金屬態能和氧、氮氫、碳等直接激烈地化合反應，以致純鈦很難從氧化礦石中提煉出來。從發現鈦元素到製出鈦純金屬，歷時一百多年的時間，而真正被利用到工業展現其真面目，已經是1950 年代以後的事了。近代因為提煉方法的改善，產量大幅度地增加，也因而更顯露出鈦的原有性質之優異性。理論上製造純鈦的方法極為簡單，先從不純的氧化物裡分開鐵，用氯處理得到一種揮發性的液體－四氯化鈦(TiCl4) 在密閉的鋼製反應室裡和鎂或鈉混合，因為鎂或鈉的化學活潑性比較大，便可以把鈦還原成金屬狀態。從反應過程中得到的純鈦，是一種海綿狀的金屬，以真空熔融後可以鑄造成錠。雖是如此，實際上在提煉中有很大的困難度。在加熱時很難控制好鈦，因為在高溫下鈦的活性特別大，會吸收空氣中的氧和氮以及其他物質中的碳，只要有1％的這些氣體，就完全毀壞了其鍛造的延展性，使鈦和浮石一樣脆弱。因此在製造過程中的每一個階段，必須和空氣隔離，或者是填以鈍氣（像氦或氬氣），或者在真空中進行。此外，在使用鎂還原四氯化鈦時，也另有困難，溫度如果不能調節在1600° C，鈦有可能溶解反應室的鐵金屬。
圖2：（左）航空用渦輪引擎和其外罩；（中）以SLS-PBF（選擇性雷射燒結 – 粉體床融合技術）的3D 列印人工圖骨蓋修補受損的骨骼；（右）利用斷層掃描建立顎骨的模型並加以3D 列印的鈦合金人工骨骼（圖片分別參考自波音公司、www.slate.com）
可是提煉溫度的調控是一件困難的事，因為這個反應會釋放巨量的熱，而鈦本身是熱的不良導體，除非是用减小反應室大小，熱才能來得及消散。這大概是每次產量限制在每批125 公斤和鈦金屬昂貴的主要原因，除非採別種不同的方法。用精製過的海綿狀鈦鑄造錠塊，困難度就更高了，因為鈦在電爐裡熔融的時候，雖然可以用填充惰性氣體或真空的方法，不會使鈦吸收大氣中的氧和氮，但是無法避免鈦會溶解坩堝的內部材質，例如氧化鋁與氧化鎂材質，純鈦會奪走氧化物所含的氧，導致坩堝結構潰敗，造成其他元素污染了熔煉中的鈦金屬。另外，最近的研究指出：如果不太在乎有少量的碳在鈦裡面，精緻高純度的石墨坩堝勉強可以採用。但這樣會損傷鈦的延展性，提煉過程的雜質受到嚴格的限制。一旦鈦被鑄造成錠，往後就不需要保護在真空中了，用鍛造、熱輾、冷製、抽絲、製管等製程都沒有太大的困難。
圖3：（左）最早鈦金屬應用在手錶；（中）鈦合金的自行車；（右）鈦和鈦合金的高爾夫球杆的打擊片
鈦與鈦合金應用
雖然在1300° C 以上時仍須用鋼料包裹，以隔絕和氮、氧的直接接觸，然而在常溫下，鈦是可以和其他金屬一樣地進行各種加工處理的。鈦的機械性質遠優於不鏽鋼，但是可以用同樣的加工裝置進行加工作業，在長時間加熱以後，鈦的表面會形成一層黑色極硬的殼，必須用碳化物的刀具才能磨掉它。不過在鑽削、切斷方面，鈦並不比不鏽鋼難搞。雖然如此，鈦在過去還是不能完全取代鐵、鋁的地位，原因是目前其生產成本仍比鐵或鋁高。此外，在鑄造、提純、機加工等方面，也有很多待克服的困難。在製備鈦合金時，主要困難是在加熱到熔點以前要避免吸收大量的氧和氮，這嚴重會影響了合金的塑性和延展性。其次是熔融的鈦能和任何一種已知的坩堝用耐火材料起化學反
應，因此需要用特殊方法製備鈦合金和製品，現在主要是用粉末冶金法，包含粉末壓製法、金屬粉末注射成形法和積層製造法來製作製品。
航太和航空飛行器與船艦
雖然鈦與鈦合金製品很難製造，但花費巨資提煉仍是很值得的。機器和儀器的設計師隨著飛機飛行速度的加快導致摩擦生熱使飛機表面溫度不斷升高，他們老早就盼望著有一種金屬或合金，具備一些重要的性能，如比重低、強度高、耐熱性高和抗腐蝕性強。
鈦的機械強度和鋼相近，密度比鋼小（鈦的密度是4.54 g ∕ cm3，鐵的密度是7.9 g ∕ cm3），可和多種金屬形成合金。鈦的抗拉強度不亞於不鏽鋼和優質航空鋁合金，鈦也能焊接、鍛造和熱處理；純鈦的機械強度是80kg/cm2，用冷處理或製成合金的方法很容易提高到110kg/cm2，是種新興的結構材料。鈦又具有一項重要特性，就是加熱到537° C，仍能保持強度，而鈦合金更是可加熱到650° C，並維持強度。
鎂和鋁合金的強度當溫度到達315° C 左右就已經急遽下降，而鈦卻能承受這種高溫且不降低本身機械強度。因此，在航空工業中被大量使用來製造噴氣引擎，以及飛機、火箭等的機體和零件，是航空器輕量化與安全的關鍵材料。1960 年代，美國建造一架造SR － 71「黑鳥」號超音速噴氣式偵察機，飛行速率3500km/hr 是音速的3 倍，這種飛機機身的主要零件就是用鈦合金製造的。現在，鈦已在飛機製造業中站穩腳跟，民航客機的主要零件，從引擎、機翼、方向舵，甚至螺釘、螺帽和緊固件，到處都可以看到鈦的影子。據統計，美國每年生產的鈦有75％用於製造飛機的機體機構件和引擎零件，如圖2 所示。
此外，鈦合金還是宇宙航空工程的必備材料，軍事用的飛彈、火箭的外殼，太空船的船艙、骨架和其他高壓容器，都要用鈦與鈦合金來製造。用鈦製造的液氧筒和液氫的燃料箱，能禁得起超低溫和高溫的反覆考驗，其他金屬材料則會發脆。太空航行在宇宙空間建設太空站、組裝設備時，鈦還被選做主要的結構材料，因為鈦在無氧環境下變得很容易焊接和切割。正因為鈦與鈦合金是製造飛機、火箭、太空船等絕佳材料，所以鈦被譽為「宇宙旅行用的金屬」是當之無愧的。
鈦是屬還原性很強的金屬，但因為其表面容易生成緻密、鈍性的氧化物薄膜，使鈦具有優良的抗腐蝕性，特別是對海水的抗腐蝕力很強。用鈦製造的輪船表面不用塗漆，在海水中浸泡也不會生鏽，因此鈦可以說具有極強的抗腐蝕性。化學家曾做過一對比試驗，把生鐵、不鏽鋼和鈦材料分別製成泵浦，故意注入腐蝕液並靜置3 天后，生鐵就被銹蝕掉了；不鏽鋼則維持了10 天；鈦則於半年後仍一切正常。因此在常溫下，鈦除了不易被稀酸、鹼液腐蝕外，對潮濕的氯氣和海水的耐腐蝕能力也很強，對海水的耐腐蝕能力可與大名鼎鼎的（白金）相媲美。正因把鈦與鈦合金在海水中泡上幾年仍能保持光亮，所以這是製造軍艦、輪船的理想材料。用鈦製造的潜艇、水翼船和快艇，不僅重量輕、航速快、載重大、使用壽命長，由於鈦與鈦合金不是磁性物質，用鈦製造的軍艦、潜水艇，不會被磁性水雷發現和跟踪。此外，還能抗深水壓力，例如鈦潜艇能在深達4500 公尺的水下航行，這是一般鋼鐵製艦艇不能到達的深度。雖然鈦在常溫下不活潑，但在高溫時，能直接和許多非金屬或金屬生成填隙式化合物或合金。例如把鈦加入鋼水中用來脫氧、除氮和去硫，以改善鋼的性能，可使含鈦鋼堅韌而有彈性。鈦還造成一個歷史上的悲劇故事，鐵達尼號(Titanic) 正是當時對鈦的崇拜和迷失，加入鈦元素的鋼在當時沒有最好的熱處理方式，因此最後導致撞擊冰山船殼脆裂而沉沒於冰冷大海。
圖4：鈦與鈦合金對人體的親和度高，被用來製作餐具和食具（圖片來源：Keith Titanium）
醫療上的人工植入物
1950 年代，外科醫師注意到鈦為修補斷裂骨骼的最佳材料，鈦與鈦合金的化學特性和生物相容性對醫學上的植入物結構算是第二個展現其強大性的應用， 如圖2 所示， 近代以金屬積層製造(Additive Manufacturing, AM) 的數種3D 列印技術製造人工骨骼，在搶救意外受損、老化的骨骼結構之補強，是鈦與鈦合金對人類的另一大貢獻，甚至以鈦金屬粉末注射成形的人工牙根倚仗其高韌性而能使患者在植入後，恢復原來生活習慣，是極好的體驗。鈦是僅次於錳和鋁的化學活潑性，尤其在高溫下變得非常活潑，但在室溫時卻顯現出極大的鈍性，主要是外表有一層肉眼無法分辨的透明氧化物薄膜包覆，使其成為鈍性就像鋁和鎂在常溫時也一樣，隔離與其他物質繼續化學反應。鈦也不易被任意濃度的硝酸、硫酸、各種弱鹼性溶液所腐蝕，但能溶解在鹽酸、濃硫酸、王水和氫氟酸中，人體的體液剛好是弱酸液體，氧化的鈦不但能抵抗這弱酸狀態，血液中的骨骼細胞也很容易附著在氧化的鈦金屬表面生成新結構，低比重、高強度及生物相容性使鈦與鈦合金在醫學地位無法撼動。
由於鈦與鈦合金不會被體液侵蝕，也沒有毒性能夠和骨骼結合在一起，不會被身體排斥。臀骨和膝蓋的代用品、心律調整器、金屬骨板，以及供頭蓋骨破裂傷患使用的金屬頭蓋骨，都是用鈦金屬制的「蓋」不會被體液侵蝕、也沒有毒性能夠和骨骼結合在一起不會被身體排斥。正因為鈦與鈦合金在醫學上有著獨特的用途，可以用來代替損壞的骨骼，這種替代的骨骼猶如真的骨骼（密度接近、更高耐用）一樣，因此鈦也被稱為「生物親和的金屬」，加上近代電腦科學的進步以金屬積層製造的3D 拓樸結構(Topology structure) 設計，在有限度的隨著人體生長而變形適
應在體內可長達20 年，避免早期植物入必須定期更換的多次開刀造成的痛苦。英國王儲查理王子因手肘
斷裂，由英國諾丁罕大學附設醫院的外科醫師用鈦金屬板替他修補斷裂的肘骨；著名的機車賽車手巴裡辛恩(Bary Shee) 在一次嚴重的賽車車禍中折斷好幾根骨頭，據說就是用鈦金屬製成的架子把斷裂的骨頭固定住並重建。鈦植入法的成功要素是必須使用高純度的鈦金屬，並且要絕對乾淨。為了達到這個目的，必須使用電漿弧(Plasma arc) 清除鈦金屬的表層原子，讓新的金屬層暴露出來後立刻氧化，身體組織會和這個氧化層緊密地結合在一起。
圖５：鈦製作的真空鍍膜用靶材（圖片來源：龍特新材料);圖６：陽極發色多彩的鈦合金骨釘產品（圖片來源：臺灣鐿鈦科技）
民生用途
正因為鈦與鈦能夠耐硝酸和氯氣，化學工程師就用鈦與鈦合金來建構深海鑽油平臺，機構工程師也以鈦合金製造的腳踏車身與高爾夫球打擊片，集重量輕、強度大於一身的應用，更吸引了電子產品機構工程師把鈦與鈦合金用在3C 產品上，增加了產品的附加價值。臺灣是全球自行車王國，輕量化的車體架構自然少不了鈦與鈦合金，可以减輕騎手體力消耗，高強度的結構保證車體、車輪的相對位置正常，在加速過程避免車體變形造成的阻力。
然而，如何以快速加工的技術完成電子商品短期間開發、迅速大量生產的節奏？自2010 年走紅的金屬粉末注射成形+ 數值切削這個模式似乎也能套用到鈦與鈦合金的生產上，眾人皆知塑膠注射的成品製造速度令人吃驚，金屬注射成形也是藉由這個優勢快速製造出成千上萬的金屬生坯，但是鈦與鈦合金的活潑性使得脫脂、燒結、後處理的無氧環境控制成為這個製程上的困難點，幸而在大陸粉末製造商與設備供應商的努力下，逐漸取得標準化的材料和設備，產品製造商能安全無虞的使用原料與設備產出品質良好的鈦與鈦合金製品。圖3 為鈦與鈦合金於民生之應用。
非金屬鈦的應用
鈦工業是從1930 年代開始的，當時的油漆製造業者想找出可以取代白鉛的原料，於是找上二氧化鈦(TiO2)。二氧化鈦的英文名稱是Titania，恰好是莎士比亞名劇中仙女女王的名字。這種化學品現在已經一種年產量300 萬噸的大產業，二氧化鈦（俗稱鈦白）是世界上最穩定的白色物質，1 公克鈦白就可以把450 平方公分的面積塗得雪白，它的遮蓋性大於鋅白，耐久性高於鉛白，是一種寶貴的白色常用顔料，如今已是世界上重要的顔料原料之一。鈦白不僅雪白，而且沾附性很強，不易起化學變化。特別可貴的是，鈦白無毒、不會褪色、有非常高的折光指數。
結語
時代考驗人類，人類創造時代，材料科技是重要的支撑角色，大多數的人對於鋼鐵材料熟悉，但是沉重的重量使得人們寄望找到一個輕量的高強度金屬，許多的電影大作都以鈦和鈦合金作為各類神秘角色使用的器具、盔甲、機器外殼等，滿足人們的各種幻想。隨著時代的進步，我們都能夠越來越瞭解鈦與鈦合金的特性，希望在有限的資源和無限的想像結合下，以材料科學為基礎開創更多美好的材料，造福人類社稷，這是主編輯和本期刊的共同祈願。■
