輕量化優(yōu)勢明顯但仍存在短板

近期，消費市場悄然興起“鈦熱”。從日常使用的鈦杯、鈦鍋，到搭載智能功能的高端鈦電飯煲，鈦制品成為部分消費者的新選擇。相關商家稱，這類產品輕量化、耐腐蝕，更有益于人體健康。

那么，鈦制品真的如此完美嗎？這位新晉“頂流”會成為主流材質嗎？科技日報記者日前采訪了南開大學化學學院副教授朱寶林。

苗條、耐腐蝕的“大力士”

鈦是化學元素周期表中第22號元素，1791年被英國科學家格雷戈爾發(fā)現(xiàn)。它直到1948年實現(xiàn)工業(yè)化生產才嶄露頭角，如今在航空航天及生活用品領域大放異彩。

當我們在商場拿起一個鈦杯時，第一感覺可能是“出乎意料的輕”。鈦的輕與不銹鋼的重形成鮮明對比，這是鈦走紅的原因之一。

“鈦的密度僅為4.5克/立方厘米，約為鐵的57%，卻擁有匹敵鋼材的強度，好比苗條的‘大力士’。”朱寶林介紹，這種特性源于鈦原子特殊的排列方式以及電子結構。在金屬晶體結構中，鈦原子依靠強金屬鍵實現(xiàn)緊密有序排列，晶格結構可以有效分散應力，使鈦在保持輕盈的同時異常堅固。

與此同時，鈦的耐腐蝕性極為出色。“這種耐腐蝕性與鈦的自鈍化特性密切相關。”朱寶林解釋，當鈦暴露在空氣中，其表面會瞬間形成一層厚度僅2納米至5納米的致密氧化鈦薄膜。這層薄膜具有驚人的“自愈”能力——即使被輕微劃傷，只要接觸氧氣就能立即再生。

2018年日本科研機構的實驗結果顯示，鈦在海水中的腐蝕速率僅為不銹鋼的1/1000。因此在日常生活中，面對油煙、水及調味品的潛在腐蝕，普通金屬輕易便“敗下陣來”，而鈦制品卻始終光鮮。

除此之外，鈦的惰性使其在極端酸堿環(huán)境中也能展現(xiàn)出極強的穩(wěn)定性，幾乎不會析出金屬離子。實驗結果表明，用鈦鍋烹飪pH值2.5的番茄醬4小時后，鈦溶出量低于0.0003毫克/千克，僅為不銹鋼的1/50。

某些優(yōu)勢或被高估

“鈦熱”會一直持續(xù)下去嗎？朱寶林認為，從材料屬性來看，鈦的穩(wěn)定性遠超其他材料。在這方面，鈦優(yōu)勢明顯。然而，鈦的“健康價值”可能被高估了。普通304不銹鋼在正確使用的情況下同樣安全且價格更具競爭力。此外，鈦制品的輕量化特性雖為一大亮點，但該優(yōu)勢更多體現(xiàn)在露營、徒步等特定戶外場景中，在日常生活中的實際需求相對有限。

不僅如此，朱寶林認為現(xiàn)在商家對于鈦制品的高級感存在過度營銷之嫌。純鈦呈暗灰色，市面上色彩斑斕的鈦杯則采用了陽極氧化技術——通過控制氧化膜厚度引發(fā)光的干涉效應形成豐富色彩。而所謂的鈦合金鍋多采用Ti-6Al-4V合金材質（含6%鋁、4%釩）。這種材料雖然強度更高，但導熱系數(shù)（7.2瓦/米·度）反而低于純鈦（21.9瓦/米·度）。這意味著某些鈦合金鍋的加熱均勻性可能還不如導熱系數(shù)15—20瓦/米·度的傳統(tǒng)不銹鋼鍋。

與此同時，鈦還存在一些短板。首先是成型加工難。鈦在高溫環(huán)境下易與模具發(fā)生化學反應，而冷加工又需要極大壓力，這使得其成型加工過程復雜且成本較高。其次是導熱性能缺陷。鈦的導熱系數(shù)僅為鋁的1/16，用鈦制品烹飪時容易出現(xiàn)冷熱島效應——局部區(qū)域溫度過高形成“熱島”，而其他區(qū)域溫度較低形成“冷島”。這種受熱不均勻會嚴重影響烹飪效果。

“在材料科學領域，沒有永恒的王者。鈦制品雖在輕量化、耐腐蝕方面表現(xiàn)突出，但要真正成為主流消費品仍需突破多重壁壘。”朱寶林說，當前鈦制品的價格普遍是不銹鋼產品的5倍至8倍，消費門檻較高。隨著3D打印技術發(fā)展，鈦制品的成型加工難題或得到解決，但原料成本居高不下仍會限制其發(fā)展。

目前，材料科學家培育的其他材料正在成為鈦的有力競爭者。

鎂合金比鈦密度低60%，憑借極致的輕量化和良好導熱性成為有力競爭者，但它需要克服易腐蝕的弱點。鋯合金的生物相容性優(yōu)于鈦，且抑菌性能出色，但其資源稀缺導致價格高昂。高熵合金由多種金屬構成，具有可定制強度、耐蝕性等特性，但加工難度大。液態(tài)金屬則擁有超高強度和精密成型能力，已在高端電子產品中得到初步應用。