近日，東京大學(xué)的研究人員取得了一項(xiàng)重要突破，他們開發(fā)出了一種新方法，能夠大大降低生產(chǎn)低氧高純鈦的成本。這項(xiàng)研究成果不僅介紹了這種經(jīng)濟(jì)有效的方法，還揭示了其背后的科學(xué)原理和技術(shù)挑戰(zhàn)。
據(jù)悉，研究人員通過使用稀土金屬釔，成功地將鈦中的含氧量降低到0.02%。這一突破性的進(jìn)展使得鈦金屬能夠更廣泛地應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。然而，要充分實(shí)現(xiàn)鈦合金在制造業(yè)中的更多潛在應(yīng)用，材料中成分含量高達(dá)1%的釔卻成為了一個(gè)迫切需要解決的挑戰(zhàn)。
鈦是地殼中含量排名第九的元素，但由于從鈦礦石中去除氧氣的成本高昂，因此以純鈦制成的產(chǎn)品并不常見。氧氣的去除成本是影響鈦金屬廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。降低這一成本將有效促進(jìn)制造商在制造產(chǎn)品中更廣泛地利用鈦產(chǎn)品的優(yōu)勢。
東京大學(xué)工業(yè)科學(xué)研究所的研究人員在Nature Communications上發(fā)表了一項(xiàng)研究成果，詳細(xì)介紹了他們降低生產(chǎn)幾乎完全無氧高純鈦成本的新方法。這項(xiàng)研究不僅有利于技術(shù)發(fā)展，還對環(huán)境的可持續(xù)性產(chǎn)生了積極影響。
鈦金屬因其獨(dú)特的性質(zhì)而備受青睞。與其他金屬相比，鈦材料具有更廣泛的用途。它不僅能抵抗化學(xué)損傷，還具有堅(jiān)固輕便的特點(diǎn)。例如，最新一代的iPhone手機(jī)選擇了鈦合金作為基本框架，盡管這增加了成本，但鈦的使用使得手機(jī)更加輕便耐用。
然而，生產(chǎn)超純鈦的成本遠(yuǎn)高于制造鋼（鐵合金）和鋁。在制備高純度 鈦的過程中，需要消耗大量的能源和資源。因此，研究人員一直致力于開發(fā)一種廉價(jià)、簡單的方法來制備高純鈦，以促進(jìn)工業(yè)和普通消費(fèi)者所用產(chǎn)品的開發(fā)。
在這項(xiàng)研究中，研究人員采用了一種基于稀土金屬的創(chuàng)新技術(shù)來去除鈦中的氧氣。他們通過將熔融鈦與金屬釔和三氟化釔或類似物質(zhì)反應(yīng)，最終得到了低成本、固態(tài)、脫氧鈦合金。此外，反應(yīng)后的釔還可以循環(huán)使用，進(jìn)一步降低了生產(chǎn)成本。
研究的主要作者Toru H. Okabe解釋說：“工業(yè)上大量生產(chǎn)鐵和鋁金屬，但鈦金屬的生產(chǎn)卻受到限制，因?yàn)閺牡V石中去除氧氣的成本很高。我們使用的這種基于稀土金屬的創(chuàng)新技術(shù)，可以將鈦中的氧氣去除到單位質(zhì)量的0.02%。”
這項(xiàng)研究的一個(gè)關(guān)鍵步驟是將熔融鈦與特定的反應(yīng)物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)。研究人員發(fā)現(xiàn)，這種方法不僅成本低廉，而且操作簡單。更重要的是，即使是含有大量氧氣的鈦廢料也可以通過這種方式進(jìn)行處理。
Toru H. Okabe表示：“我們對實(shí)驗(yàn)方案的用途廣泛感到振奮。無需中間化合物和簡單的操作步驟將有助于其在工業(yè)上的應(yīng)用。”
盡管這項(xiàng)研究取得了重要的進(jìn)展，但目前還存在一個(gè)局限：得到的脫氧鈦中含有質(zhì)量高達(dá)1%的釔。釔的存在可能會(huì)影響鈦合金的力學(xué)和化學(xué)性能。因此，研究人員還需要進(jìn)一步解決釔污染問題，以確保鈦產(chǎn)品在工業(yè)制造中的廣泛應(yīng)用。
總體而言，東京大學(xué)的研究人員開發(fā)的這種新方法為更有效利用高純鈦邁出了重要一步。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的進(jìn)一步降低，鈦金屬將在未來發(fā)揮更加重要的作用。