图说活跃的金属小将--钛/中华青少年科学文化博览丛书

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八、自行车和轮椅车用钛 我国是一个自行车的王国，年产量为5000万辆，目前还是以普通自 行车为主，高档车主要为铝合金车，钛合金车还只是样品阶段。 钛最早于20世纪80年代中期开始在自行车上应用。自行车减轻质 量，对于比赛用车特别重要。一般自行车使用36根幅条，而钛自行车仅用 24根幅条，不仅减轻了质量，而且减少了风的阻力。钛合金制造的车架代 替高强钢，使自行车轻量化。钛车架主要由工业纯钛和钛合金管材加工 而成。美国一家公司生产钛车架平均质量为1.5千克，每台售价为2800美 元。钛制车架比铬钼合金车架轻，更舒适，使用寿命也更长。意大利一家 公司已经利用钛及钛合金制造竞赛用自行车的多种零部件，包括封装变速 机用销、左旋螺母、无销曲柄轴、前后轮毂轴、左右脚蹬轴等。 近年来，钛自行车在我国取得了很快的发展，现在北京、上海、广 州、宝鸡等城市已有批量供应钛合金自行车车架及零备件的公司。钛自 行车车架选用钛合金管材，采用目前国际流行的手工氩弧焊工艺，品质 已达到国际高档自行车产品水平。据报道，宝马牌钛合金自行车售价在 8万元左右，另有运动型变速车出售，价格在1200～4000元不等。 上海有色金属研究所于2002年生产了7.5吨自行车用钛合金管材， 销往美国、意大利。目前，我国已有几十个钛自行车生产厂家，不论在 数量上还是在品质上都达到了一 个全新的水平，产品行销欧洲、美 洲、亚洲、澳洲等几十个国家和地 区，在世界钛自行车市场中占有重 要的一席之地。 轮椅车架材料与自行车车架基 本一样，现在主要是铝、碳纤维、 钛和钢等材料。轮椅车架要尽可能 的不倾侧，但不倾侧的车架就会引 起行驶时发涩，生硬的车架经常导 致三只轮子触地，这是因为地面不 平或是车架对称中心面不完美造成 的。而三只轮子着地又导致轮椅不 能很直地行驶，也不容易操纵。正 确设计的钛轮椅能靠扭转灵活性来 改善牵引、操纵，从而缓解使用者 的疲劳。钛还具有回弹能力，尽管 钛合金的密度较大，但具有弯曲特 性，使之与铝合金一样有吸引力。 它的较低的弹性模量与铝合金车架 相比，更具有灵活性，从而增加驾 驶者的舒适感。 轮椅市场在许多方面不同于自 行车市场，最重要的差别是目前只 有少量钛轮椅车架在生产，大多数 是用有缝工业纯钛管材生产的，轮椅总用钛量约为15吨。 目前，在美国只有少数公司有足够的研究经费开发钛轮椅或购买材 料。与较便宜的铝轮椅相比，钛轮椅的优点不多，现在除了钛螺钉螺栓 外，钛轮椅部件业还未形成。虽然有市场，但很小，只包括少量的消耗 部件，至今市场规模不到100万美元。 大多数有关钛合金在特殊应用中的适用性研究，一直是航空生产者 开展的工作，自行车工业不能够也不愿意在研究方面投资。因此，钛生 产厂商如果想提高市场份额，必须认识到长远发展来自引导，同时，大 力支持此类消费产品的设计过程，形成战略伙伴关系，将自行车和轮椅 车用钛推向前进。 九、医学补形方面用钛 在人体内，因外伤、肿瘤造成的骨、关节损坏，往往不得不使用钢 板、螺钉、髓腔针、脊柱矫正器、人造骨、人造关节等来建立起稳定的 骨支架。这些器件长期甚至终生留在人体内，一方面受到外力如弯曲、 扭转、挤压和肌肉收缩力的作用，同时还必须长期受到人体组织中体液 的浸蚀作用。过去使用的牙托粉、聚乙烯、聚丙烯、有机玻璃等材料的 强度低，易折断，异物反应也较大。后来改用不锈钢，但不锈钢比重较 大，约为人体骨骼比重的两倍，而且在人体内受体液作用会出现腐蚀和 断裂。钛和钛合金的比重小，和人骨的比重相近似，强度大，机械加工 性能好，耐蚀性能优异，是一种理想的医用金属材料。 1950年英国使用钛制作人工股骨头，日本也由用镍铬合金改用钛合 金作人工骨关节。1958年以来，英国使用数以百计的钛盘和补形器件。 实践证明，以前凡是用不锈钢和钴基合金制成的各种类型的外科用插入 工具，均可用钛来制作。 日本用钛代替其他材料来制造补形器件，效果良好，他们还用钛合 金和钛制造了髋关节。 人的大腿骨因患外伤或不能治愈时，可用金属钛人造骨骼来代替。 日本神户制钢所用高强钛合金的型锻制品作成大腿骨，大腿骨头部的球 形必须经抛光处理。由于钛的比重小，即使这种球形部分为实心的也比 其他材料的轻些。 日本神户制钢所制成有许多微细小孑L的钛网，用来 代替因外伤损坏的头盖骨和硬膜等。东京大学脑神经外 科医师对钛网在头盖骨整形方面的应用进行了研究，他 们用光谱法研究了用钛网作为代用的硬膜时，钛向人脑 周围组织浸透的情况。研究证实，这种钛网与脑硬膜的 结合性良好，能给脑软膜和脑以足够的支持，并能有效 地保护脑髓液系统。这种钛网是将l毫米以下的钛薄板， 用光刻蚀技术刻成微孔而成。 北京积水潭医院、中国人民解放军总医院、上海 人民医院、上海华山医院、天津医院、沈阳骨科医院、 西安第二军医大学附属医院等几十家医院，从1972年开 始先后进行了钛及钛合金人造骨与关节的临床应用与研 究，他们用钛制内髋关节(包括股骨头)、膝关节、肱 骨头、肘关节、掌指关节、指间关节、下颌骨和人造椎 体等，临床治愈了上百个病例。 P152-159