金屬之最的桂冠花落誰家？_風聞

原創：中科院物理所

要評價地球上最堅固的金屬是什麼，首先我們需要探討一個合適的評價體系。我們要知道的一個基本事實是，對於金屬不同方面的強度性質，評判的標準有各有不同。衡量一種材料的力學性質的指標包括：抗拉強度、屈服強度、硬度等。其中，抗拉強度，單位是磅/平方英寸(psi)，反映了材料在不斷裂的情況下所能承受的最大載荷。屈服強度則衡量引起永久變形所需的應力大小。

由弗蘭克·蓋裏（Frank O.Gehry）設計的古根海姆博物館分館坐落於西班牙畢爾巴鄂，該建築由鈦合金和玻璃打造而成 | TIM GRAHAM/GETTY IMAGES

鎢是所有純金屬中屈服強度和抗拉強度最高的，可以説是世界上最堅固的金屬。然而，它不是最硬的金屬元素，甚至不是密度最大的金屬。説到純金屬，尋找最強金屬也會帶來一個問題：最強金屬必須是天然的金屬單質（非合金金屬）嗎？多種不同金屬的合金其實也可以。鋼被認為是地球上最堅固的合金。

讓我們來看看地球上最堅固的金屬以及它們令人驚訝的用途。

金屬大橫評鎢相較於其他金屬單質，金屬鎢具有最高的熔點（3695K）和最極限的抗拉強度（142000psi）。鎢及其合金長期以來被用來製造白熾燈泡，也被用做電視燈管的燈絲。就其本身而言，鎢這種金屬的莫氏硬度為7.5(金剛石為10)，但化合物碳化鎢的硬度要高得多(9.5)，並且碳化鎢常被用於製造工具。

合金鋼合金鋼是由鐵（金屬）和碳（非金屬）按照一定配比形成的。不同類型的合金鋼中，鐵、碳元素以及其他添加元素的比例各不相同。例如，要製造不鏽鋼，就要向鋼中摻入鉻元素。碳素鋼含有較高比例的碳，比其他合金鋼更加堅固。

鋨鋨是世界上密度最大的天然金屬之一。然而，鋨很脆，所以鋨很少被用於合金中。你可以在電路元件中找到鋨。

鉻如果我們僅把金屬的硬度作為衡量金屬強度的唯一標準，那麼就可以認為鉻是世界上最強的金屬。鉻的莫氏硬度為8.5，是地球上最硬的金屬。它還能抵抗腐蝕，因此鍍鉻用於金屬防鏽蝕的方法非常多見。

鈦鈦這種元素是以希臘神話中巨人泰坦的名字命名的。鈦具有最高的單位質量抗拉強度。鈦合金（由鈦和其他金屬元素組成）擁有比地球上任何金屬都要高的抗拉強度質量比。純鈦和鋼一樣堅固，但純鈦的重量比鋼輕45%。

鈦具有特別高的強度質量比，是飛機發動機和飛機機身、火箭、導彈的首選材料——任何一處需要儘可能堅韌並且輕便的金屬部件的地方。雖然鈦不是一種特別稀有的金屬，但由於開採和生產鈦的成本很高，金屬鈦的價格也水漲船高。世界上最大的客機，空客A380使用了70公噸鈦，主要被應用在了A380發動機的製造中。由於20世紀30年代出現了被稱為“諾克斯工藝”的冶金技術的創新，鈦的商業鍛造技術在20世紀40年代和50年代進入了全面發展階段。鈦合金被首先應用在了軍用飛機和潛艇中（美國和俄羅斯軍隊中都使用了鈦），然後在20世紀60年代，商用飛機也逐步應用上了鈦合金。

金屬鈦的發現早在1791年，一位對礦物研究富有興趣的英國牧師威廉·格雷戈爾（William Gregor）在康沃爾鎮附近的一條小溪裏打撈到了一些奇怪的黑色沙子。其中有些沙子具有磁性，格雷戈爾斷定這是氧化鐵，但是不清楚另一種物質是哪一種材料。格雷戈爾認為它肯定是另一種氧化物，但這種物質不在皇家地質學會的記錄中。1795年，德國化學家馬丁·海因裏希·克拉普羅斯（Martin Heinrich Klaproth）也獨立發現了這種奇怪的氧化物，並以希臘神話中泰坦神的名字將其命名為氧化鈦。

儘管18世紀晚期人們就發現了鈦的氧化物，但直到1910年，為通用電氣工作的美國化學家馬修·亨特（Matthew Hunter）才從氧化物中分離出純鈦。馬修·亨特發現利用密封的高温高壓腔體從氧化物分離出來鈦這種銀色的金屬的方法。

鈦不會生鏽腐蝕是一種電化學過程，隨着時間的推移，絕大部分金屬會因為腐蝕過程的進行而被破壞。當金屬暴露在氧氣中，無論是在空氣中還是在水下，氧氣都會從金屬原子中奪取電子，形成我們所説的金屬“氧化物”。最常見的腐蝕得到的氧化物之一是氧化鐵，也就是常見的鐵鏽。

但並不是所有的金屬都會發生持續的腐蝕過程。當鈦與氧氣接觸時，鈦的表面會首先被氧化，並形成一層薄薄的二氧化鈦氧化層。這個氧化層非常嚴密，實際上保護了更深層的鈦免受大多數酸、鹼、污染和鹽水的腐蝕。

鈦具有先天的優異防腐性能。這使其不僅是製造飛機的理想材料，也是製造暴露在高腐蝕性海水中的金屬部件的理想材料。船舶的螺旋槳幾乎都是由鈦製造的，船舶的內部壓艙物、管道系統以及暴露在海水中的船舶硬件也是如此。

鈦可以存在於我們的身體中保護鈦免受腐蝕的二氧化鈦薄層也使金屬鈦成為植入人體最安全的材料。鈦具有優異的“生物相容性”，這意味着鈦對於人類而言無毒、無過敏性，甚至可以與人體組織和骨骼融合。

鈦是外科手術的首選材料，常被作為骨和關節植入物、顱板、牙植入物的根部、人造眼睛和耳朵的支架、心臟瓣膜、脊柱融合物，甚至尿道支架的基本材料。研究表明，鈦植入物會觸發人體免疫系統，使骨骼直接在鈦的表面上生長，這一過程被稱為骨整合。

鈦金屬常被作為髖關節置換術和骨折手術中固定針的首選材料，除了因為“生物相容性”，另一大原因是鈦金屬具有極高的強度質量比，因此鈦金屬植入物通常很輕，並且還和人類骨頭具有幾乎相同的韌性。

鈦合金也是高爾夫杆和其他運動器材的首選材料隨着純鈦的價格在20世紀後期下降，製造商開始為這種神奇的金屬尋找更多的商業應用。鈦以輕的重量就可實現的高強度使其非常適合體育用品。最早的鈦制高爾夫球杆是在20世紀90年代中期上市的，其中包括一根來自卡拉威的巨型高爾夫球杆，名為Great Big Bertha。與鋼製或木製球杆相比，這些球杆價格昂貴，但這些鈦制球杆的成功促使其他體育用品製造商開始涉足鈦合金。現在，你可以在任何輕盈、高強度和耐用性都很關鍵的運動器材中找到鈦:網球拍、長曲棍球棒、滑雪板、自行車架、棒球棒、遠足和登山設備、露營裝備，甚至是專業賽馬的馬蹄鐵。

白顏料（包括食品添加劑）中也含有鈦元素每年生產的570萬公噸的鈦中，只有5%鈦被鍛造成了金屬。絕大多數生產的鈦都被用於合成二氧化鈦，沒錯，還是那個天然形成保護鈦不被腐蝕的二氧化鈦。在全世界範圍內，二氧化鈦被廣泛用作油漆、化妝品、藥品和食品的無毒白色顏料，包括白色蛋糕糖衣。

白色油漆過去是用含鉛的顏料製成的，但當人們逐步瞭解到了鉛對健康的危害後，白色油漆產品中鉛的成分就被二氧化鈦取代了。事實證明，白色顏料中採用二氧化鈦代替鉛帶來了意想不到的效果。

房屋油漆選擇以二氧化鈦為原料的白色油漆，因為這種顏料具有優異的防腐蝕作用，並且壽命更長。同時，二氧化鈦對光線的反射率很高，因此能夠反射出比鑽石更自然的光芒，併產生一種特別明亮的白色色調。

二氧化鈦還能反射紅外光，這就是為什麼太陽觀測裝置的外部總會採用鈦基塗料來散射影響成像的紅外光。

參考文獻

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[2] Deziel, Chris. “What Are the Top 10 Strongest Metals on Earth?” Sciencing. Mar. 13, 2018. (Oct. 10, 2023). https://sciencing.com/top-10-strongest-metals-earth-2595.html

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[4] “Tensile strength.” Encyclopedia Britannica. Sept. 22, 2023. (Oct. 10, 2023). https://www.britannica.com/science/tensile-strength.

[5] “Tungsten, W.” MatWeb. (Oct. 10, 2023). https://www.matweb.com/search/ datasheet_print.aspx?matguid=41e0851d2f3c417ba69ea0188fa570e3

[6] WebElements. (Oct. 10, 2023). https://www.webelements.com/

作者：Dave Roos & Sascha Bos

翻譯：*0

審校：利有攸往

原文鏈接：What Is the Strongest Metal on Earth?