钛纤维制品的应用研究现状

金属纤维是材料科学发展进程中的一个新型的领域，近年来，研究人员对金属纤维研发及应用的关注越来越多，尤其是在航空航天、石油化工、国防军事及医药等领域。金属纤维是将金属丝材制备成一定长径比的纤维状材料，在继承了金属材料本身固有性能的前提下，还能通过纤维化来扩充其应用范围。采用金属纤维制备的金属多孔材料由于其特有的多孔隙特点，具有较多单一功能材料所不能达到的应用范围。

尽管近年来对金属纤维的研究越来越多，但大都集中在不锈钢纤维的研究上，对于钛纤维的研究相对较少。钛纤维具有耐高温、耐低温、耐腐蚀、质轻、具有良好的吸收冲击能量能力等一系列优势，因此，钛纤维及钛纤维多孔材料的使用范围更广、能够应用于恶劣条件。

1 钛纤维的应用领域

1.1 吸声材料

声波进入疏松多孔结构的材料时，一方面由于空气分子的摩擦而产生粘滞阻力，另一方面通过热传导将声能转化为热能，从而达到吸音的目的。纤维材料是一种应用极其广泛的吸声材料，这是由于：一方面其内部具有贯通的开口孔，能够增大声波与空气分子的摩擦从而增大粘滞阻力；另一方面，细小纤维的机械振动能够更进一步地增加声能和热能间的转换。

根据纤维的种类，纤维吸声材料一般可分为无机纤维、有机纤维以及金属纤维等几类，这几类纤维材料都具有较好的吸声性能。其中，无机纤维和有机纤维吸声材料价格较低，但无机纤维性脆且受潮后吸声性能降低，有机纤维耐火、耐潮、耐蚀性差。金属纤维除了兼具纤维吸声材料的基本性能外，其强度高、导热性好、耐腐蚀、耐高温，并且还具有金属材料特有的电磁屏蔽性能，因此可用于有如高温、高压等有特殊要求的应用场所，如用于高压下的航空发动机声衬材料、如用作水下低频吸声材料等。李东峰等研究了300℃下钛纤维的吸声性能，结果表明，300℃时钛纤维的高温吸声试样的传热曲线规律与其在常温下一致，即钛纤维的吸声性能受温度的影响不大。

目前，针对钛纤维材料吸声方面的研究还相对较少，其他可能的应用还有待进一步的研究。

1.2 增强材料

随着科学技术的发展，单一工程材料的性能开发已跟不上其迅速增长的性能需求，因此，按一定比例、方式复合材料已成为当前的一个重要的研究方向。如由金属基体材料作为载体、添加增强体而成的金属基复合材料，其性能在一定程度上取决于所加入的增强体的性能。对于一些合适的金属材料，钛纤维即是一种比较理想的增强材料。

王玲等人利用钛与镁间良好的结合特点，采用无压浸渗法，将直径为10μm的钛纤维、以10～30%的体积分数加入镁锡合金中作为增强体。结果表明，镁锡合金基钛纤维增强复合材料的力学性能随着钛纤维含量的增大而增强。这是因为，以钛纤维作为增强体，首先能够避免类似加入陶瓷纤维后导致的低应变条件下的早期断裂，又能够避免加入镍或铜等增强体时导致的镁合金质轻方面的损失。

钛铝合金因其高比模量、高比强度、高温强度、高温抗氧化、高温抗蠕变性能、质轻等优势成为新一代航空发动机构件的最优材料之一，但其易开裂、低室温塑性的缺陷严重制约了钛铝合金的应用。王文生等人的研究表明，向钛铝合金中引入钛纤维，能够阻止裂纹在钛铝合金基体中的传播、扩展，还能够进一步地提高基体合金的比强度、比模量，更能够通过吸收变形来协调晶内和晶间变形、韧化基体合金。晏建武等人的研究也表明了，Ti-4822合金基钛纤维强化复合材料的弯曲强度相较于Ti-4822基体合金提高15%。

1.3 生物医用

生物医用材料是一类可用于替代人体器官、组织或者是能够增进其功能的新型材料，目前已可用于骨伤修复、人工牙种植体、人工关节、血管支架等诸多方面。由于生物机体的复杂性，要使外科植入材料在人体内长期稳定服役，其必须具备以下特点：（1）良好的力学相容性，即足够的强度及韧性，耐蚀、耐磨，疲劳及断裂抗性高，具有适当的弹性模量；（2）良好的生物相容性。

钛及钛合金由于以下优势，使其成为非常适合的生物医用材料：（1）质轻、密度（20℃）=4.5g/cm3，植入后减轻人体负荷。（2）与其他植入材料相比，具有更低更接近人骨的弹性模量，能够降低人骨对于外来植入物的应力屏蔽。（3）无磁性，不受外界电磁场等的影响。（4）无毒性。（5）作为惰性金属材料，与人骨、细胞组织、血液都具有良好的生物相容性，无过敏反应、无人体污染。（6）良好的力学相容性。

对于钛纤维而言，其在生物医用领域的作用主要表现在以下两方面：

一方面，骨缺损的修复一直是一大难题，近年来，将纤维与生物材料复合的方式为其提供了一种思路。纤维的引入能够限制裂纹的扩展，从而提高生物医用材料的断裂韧性，裂纹扩展所需的外力相较于无纤维增强的生物材料而言则更大。基于钛及钛合金自身所具有的优势，钛纤维无疑是最适合的纤维增强材料。

另一方面，诸多学者对于生物细胞在钛纤维表明的粘附和增殖情况的研究表明，由于钛纤维材料多变且可调可控的孔隙结构，新型钛纤维医用多孔材料能够促进组织再生、加速愈合过程，因此在组织的修复方面取得了显著的进展。

1.4 其他应用

除上述应用外，钛纤维多孔材料还具有其他一些特殊应用，如利用钛纤维的传热性能制备高效换热器，如用于高效燃烧、过滤分析、电磁屏蔽等领域。

2 结束语

综上所述，钛纤维材料由于兼具金属钛本身所固有的优势、以及纤维材料的特性，因而具有广泛的应用领域，使其能够用在一些特殊的、苛刻的条件中，未来还具有很大的研究开发潜力及价值。