チタン
耐久性能と組み合わせて検討すると、長期的に見て経済的(ライフサイクルコストの低減が可能)で、長期的な文化財の保全・安全性維持・環境維持に適している。加工性のよさ、多彩な発色で優美な雰囲気を出せることから複雑な伝統的なデザインにも適用されている。
日本の有名寺社では、浅草寺の宝蔵門・本堂・五重塔、金閣寺の茶室、北野天満宮の宝物殿、大徳寺、宮地嶽神社、高野山など、また、博物館では東京国立博物館(昭和館・平成館)、九州国立博物館、奈良国立博物館、島根県立美術館、佐川美術館の事例が上げられる。ほか、福岡ドーム、大分ドーム、東京国際展示場(東京ビッグサイト)などの競技場・展示場への適用も存在する。一部の寺院からは、科学的に解明されていないものの、寺社内のカラスによる鳥害が大幅に減少した、という報告もなされている。
世界では、各国の大規模公共施設(中華人民共和国:中国国家大劇院・杭州大劇院・江蘇大劇院など、中華民国:台北アリーナなど)での事例がある。
チタンの酸化皮膜の成長により屈折率が変化し、表面が変色する現象の克服が建材利用における重要な課題であり、チタンの建材への利用拡大の大きなネックであった。2001年に新日鐵住金が変色現象のメカニズムを解明し、変色の原因となるチタン表層の不純物を取り除く技術を確立した。以降も利用技術の開発が進んでおり、チタンの建材利用の拡大に向け、各社が技術革新を競っている。
後述の宝飾品に関係するが、豊かな色彩などの優れた意匠性から、関連技術・製品群をブランド化する企業が登場している(2017年新日鐵住金:TranTixxiiブランド)。
チタンのおもな採掘は、オーストラリア大陸やスカンディナヴィア半島、北アメリカ大陸などであり、1997年におけるチタンの世界のシェアは以下の順になっている。
オーストラリア - 35.9 %
カナダ - 21.0 %
南アフリカ - 17.9 %
ノルウェー - 6.1 %
アポロ17号が月面に到着した際に持ち出された岩石から12.1 %の TiO2 が検出されたほか、隕石の中からも検出されており、太陽やM型の恒星にも存在すると考えられている。
チタン製造は、チタン鉱石を輸入してクロール法を用いてチタン金属分(スポンジチタン)を抽出しチタンインゴットを製造する精錬工程と、抽出されたチタンインゴットを用いて、チタン薄板、チタン厚板、チタン棒、チタン線、チタン管などの圧延製品(展伸品)を製造する圧延工程(展伸工程)のおもに2つの工程に分類される。
現在工業的生産がおこなわれている方法は、発明者の名を取って「クロール法」と呼ばれているもので、チタンを塩化物に変えてからマグネシウムで還元するものである。
チタンの鉱石は鉄分を含むものが多いことから、まずアーク炉で鉄分を還元してチタンをスラグ内に濃縮させ銑鉄と分離する。この酸化チタン含有物と炭素分のコークスやピッチを混ぜ合わせた豆炭のような団鉱を、塩化炉で800 °Cに過熱して塩素を入れると、チタンが揮発性の高い塩化チタン(IV)(TiCl4、沸点136 °C)として分離するので、これを蒸留して精製する。 この精製した塩化チタン(IV)を、不活性化ガスで満たされ下部に溶融マグネシウムがある反応室に送り込むと、塩素がマグネシウムと反応してチタンから分離する。単体となったチタンは海綿状に析出し始め、これが集まりスポンジチタンと呼ばれる大きな塊になる。
四塩化チタンの生成 TiO 2 + 2 C + 2 Cl 2 ⟶ TiCl 4 + 2 CO {\displaystyle {\ce {TiO2 + 2C + 2Cl2 -> TiCl4 + 2CO}}} 金属チタンへの還元 TiCl 4 + 2 Mg ⟶ Ti + 2 MgCl 2 {\displaystyle {\ce {TiCl4 + 2Mg -> Ti + 2MgCl2}}}
このように、チタンの精製はプロセスが複雑で鉄鋼のように連続生産ができないため、製鉄よりも費用がかかり高価になる。なお、真空蒸留によりスポンジチタンから分離された塩化マグネシウムは、塩素とマグネシウムの原料として再利用される。
チタンの優れた耐久性・耐食性に加え、酸化皮膜の制御によってさまざまな色合いを発色でき、表面加工により光沢を自在にコントロールできることから、デザインジュエリーへの採用例が増えている。チタンの生体適合性が、金属アレルギーを発生させないため、アレルギー体質を持つ購入者の支持を集めているほか、チタンの優れた耐食性が海水の腐食環境に影響されないため、マリンスポーツの愛好家にも注目され始めている。
チタンの耐久性・耐食性に加え、軽量性・耐デント性から、カメラや時計ケースへの適用も増えている。また、一部のアーティストによる彫刻・装飾・家具などの例が散見されるようになってきた。また、硬貨やメダルとして使用する事例も少数ではあるが存在する。1999年に英領ジブラルタルのミレニアム記念硬貨として世界初のチタン硬貨が発行されたほか、オーストラリアのラグビーリーグ球団が、自球団の選手の表彰に純チタンメダルで表彰した事例がある。
日本では、国宝級の伝統技術の中でもチタンの特性に着目する例があり、江戸時代由来の歴史的金属製品である明珍火箸が代表的である。
おもに航空宇宙分野で利用が拡大したチタンは、1970年代になると建材への適用事例が見られるようになった。
チタンの性質である、
耐食性能・耐久性能(理論上、数百年の耐用年数を持つ貴金属並みの耐食性)
軽量性能(既存素材に比べて大幅に軽量化が図れ、建物全体として耐震強化が可能。例:土瓦からチタン製への置換で10分の1に近い軽量化)
カラフルな色彩・光沢(酸化皮膜の屈折率の違いによる独特な発色)
その表面加工による意匠性の高さ(金・銀発色から苔や木皮などに似せた光沢を抑えた渋みまで表現)
環境適合性(他金属素材と異なり自然界に流出しない)
加工性のよさ(表現できる幅が鉄鋼よりも広い)
汚れの付着しにくさ
非磁性などが、従来素材と比較して、メンテナンスの大幅軽減を見込め、中長期で経済的であること
が評価されるようになったことが要因である。
初期は海浜地区などの厳しい腐食環境での適用といった、1.耐食性能に着目した適用が中心だった。臨海部立地の施設・社屋・公共施設への採用が目立った(名古屋港水族館、フジテレビ本社ビル、JR函館駅、石川県内灘町役場など)。
1990年代後半以降、徐々にその他の性能が評価されての適用事例も増えてきた。とりわけ、2. 軽量性能(土瓦をチタン置換し耐震強化。例:浅草寺)、3. カラフルな色彩・光沢、4. 意匠性の高さ、5. 環境適合性が注目を集めており、神社仏閣・博物館などの世代を超えて使用する建造物への適用事例が増えている。
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