Ιδιότητες και χαρακτηριστικά του τιτανίου

Το τιτάνιο είναι ένα ισχυρό και ελαφρύ πυρίμαχο μέταλλο. Τα κράματα τιτανίου είναι ζωτικής σημασίας για την αεροναυπηγική βιομηχανία, ενώ χρησιμοποιούνται επίσης σε ιατρικό, χημικό και στρατιωτικό εξοπλισμό και στον αθλητικό εξοπλισμό.

Αεροδιαστημικές εφαρμογές λογαριασμός για το 80% της κατανάλωσης τιτανίου, ενώ το 20% του μετάλλου χρησιμοποιείται σε θωράκιση, ιατρικό υλικό και καταναλωτικά αγαθά.

• Ατομικό σύμβολο: Ti
• Ατομικός αριθμός: 22
• Στοιχείο Κατηγορία: Μεταβατικό Μέταλλο
• Πυκνότητα: 4.506 / εκ³
• Σημείο τήξης: 3038 ° F (1670 ° C)
• Σημείο ζέσης: 5949 ° F (3287 ° C)
• Hardness του Moh: 6

Κράματα που περιέχουν τιτάνιο είναι γνωστές για την υψηλή αντοχή, το χαμηλό βάρος τους και την εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση. Παρά το γεγονός ότι είναι τόσο ισχυρή όσο ατσάλι, το τιτάνιο είναι περίπου 40% ελαφρύτερο σε βάρος.

Αυτό, μαζί με την αντίσταση στην σπηλαίωση (ταχείες αλλαγές πίεσης, που προκαλούν κύματα κλονισμού, που μπορούν αποδυναμώνει ή βλάπτει το μέταλλο με την πάροδο του χρόνου) και η διάβρωση, το καθιστά απαραίτητο δομικό μέταλλο για την αεροδιαστημική μηχανικούς.

Το τιτάνιο είναι επίσης τρομερό στην αντίσταση του διάβρωση τόσο από το νερό όσο και από τα χημικά μέσα. Αυτή η αντίσταση είναι αποτέλεσμα ενός λεπτού στρώματος διοξειδίου του τιτανίου (TiO₂) που σχηματίζεται στην επιφάνειά του που είναι εξαιρετικά δύσκολο για αυτά τα υλικά να διεισδύσουν.

Το τιτάνιο έχει χαμηλό συντελεστή ελαστικότητας. Αυτό σημαίνει ότι το τιτάνιο είναι πολύ ευέλικτο και μπορεί να επιστρέψει στο αρχικό του σχήμα μετά από κάμψη. Κράματα μνήμης (κράματα τα οποία μπορούν να παραμορφωθούν όταν είναι κρύα, αλλά θα επιστρέψουν στο αρχικό τους σχήμα όταν θερμαίνονται) είναι σημαντικά για πολλές σύγχρονες εφαρμογές.

Το τιτάνιο είναι μη μαγνητικό και βιοσυμβατό (μη τοξικό, μη αλλεργικό), το οποίο έχει οδηγήσει σε αυξανόμενη χρήση του στον ιατρικό τομέα.

Η χρήση του μετάλλου τιτανίου, σε οποιαδήποτε μορφή, αναπτύχθηκε μόνο μετά τον Β Παγκόσμιο Πόλεμο. Στην πραγματικότητα, το τιτάνιο δεν απομονώθηκε ως μέταλλο έως ότου ο Αμερικανός χημικός Matthew Hunter το παρήγαγε μειώνοντας το τετραχλωριούχο τιτάνιο (TiCl₄) με το νάτριο το 1910. μια μέθοδος που είναι τώρα γνωστή ως η διαδικασία Hunter.

Η εμπορική παραγωγή, όμως, δεν έρχεται μέχρι που ο William Justin Kroll έδειξε ότι το τιτάνιο θα μπορούσε επίσης να μειωθεί από το χλωριούχο με μαγνήσιο στη δεκαετία του 1930. Η διαδικασία Kroll παραμένει η πλέον χρησιμοποιούμενη εμπορική μέθοδος παραγωγής μέχρι σήμερα.

Μετά την ανάπτυξη μιας οικονομικά αποδοτικής μεθόδου παραγωγής, η πρώτη σημαντική χρήση του τιτανίου ήταν στα στρατιωτικά αεροσκάφη. Τόσο τα σοβιετικά όσο και τα αμερικανικά στρατιωτικά αεροσκάφη και τα υποβρύχια που σχεδιάστηκαν στη δεκαετία του 1950 και του 1960 άρχισαν να χρησιμοποιούν κράματα τιτανίου. Στις αρχές της δεκαετίας του 1960, τα κράματα τιτανίου άρχισαν να χρησιμοποιούνται και από τους κατασκευαστές εμπορικών αεροσκαφών.

Ο ιατρικός τομέας, ιδιαίτερα τα οδοντικά εμφυτεύματα και τα προσθετικά, ξύπνησε τη χρησιμότητα του τιτανίου μετά τις μελέτες του Σουηδού γιατρού Per-Ingvar Branemark που χρονολογούνται από η δεκαετία του 1950 έδειξε ότι το τιτάνιο δεν προκαλεί αρνητική ανοσολογική αντίδραση στους ανθρώπους, επιτρέποντας στο μέταλλο να ενσωματωθεί στο σώμα μας σε μια διαδικασία που ονομάζεται οστεοενσωμάτωση.

Αν και το τιτάνιο είναι το τέταρτο πιο κοινό μέταλλο στο φλοιό της γης (πίσω από αλουμίνιο, σίδηρο και μαγνήσιο), η παραγωγή το μέταλλο του τιτανίου είναι εξαιρετικά ευαίσθητο στη μόλυνση, ιδιαίτερα από το οξυγόνο, γεγονός που εξηγεί τη σχετικά πρόσφατη εξέλιξή του και το υψηλό κόστος.

Τα κύρια μεταλλεύματα που χρησιμοποιούνται στην πρωτογενή παραγωγή τιτανίου είναι το λαμινίτη και το ρουτίλιο, τα οποία αντιπροσωπεύουν αντιστοίχως περίπου το 90% και το 10% της παραγωγής.

Περίπου 10 εκατομμύρια τόνοι συμπυκνωμάτων ορυκτών τιτανίου παρήχθησαν το 2015, αν και μόνο ένα το μικρό κλάσμα (περίπου 5%) του πυκνού τιτανίου που παράγεται κάθε χρόνο τελικά καταλήγει σε τιτάνιο μέταλλο. Αντ 'αυτού, οι περισσότεροι χρησιμοποιούνται στην παραγωγή διοξειδίου του τιτανίου (TiO₂), μια λεύκανση χρώμα που χρησιμοποιούνται σε χρώματα, τρόφιμα, φάρμακα και καλλυντικά.

Στο πρώτο στάδιο της διαδικασίας Kroll, το μετάλλευμα τιτανίου θρυμματίζεται και θερμαίνεται με άνθρακα οπτανθρακοποίησης σε ατμόσφαιρα χλωρίου για παραγωγή τετραχλωριούχου τιτανίου (TiCl₄). Το χλωρίδιο στη συνέχεια συλλαμβάνεται και αποστέλλεται μέσω ενός συμπυκνωτή, ο οποίος παράγει ένα υγρό χλωριούχου τιτανίου που είναι περισσότερο 99% καθαρό.

Το τετραχλωριούχο τιτάνιο στη συνέχεια αποστέλλεται απευθείας σε δοχεία που περιέχουν τηγμένο μαγνήσιο. Για να αποφευχθεί η μόλυνση με οξυγόνο, αυτό γίνεται αδρανές μέσω της προσθήκης αερίου αργού.

Κατά τη διάρκεια της επακόλουθης διαδικασίας απόσταξης, η οποία μπορεί να διαρκέσει αρκετές ημέρες, το δοχείο θερμαίνεται στους 1832 ° F (1000 ° C). Το μαγνήσιο αντιδρά με το χλωριούχο τιτάνιο, απογυμνώνει το χλωρίδιο και παράγει στοιχειακό τιτάνιο και χλωριούχο μαγνήσιο.

Το ινώδες τιτάνιο που παράγεται ως αποτέλεσμα αναφέρεται ως σφουγγάρι τιτανίου. Προκειμένου να παράγονται κράματα τιτανίου και πλινθώματα τιτανίου υψηλής καθαρότητας, ο σπόγγος τιτανίου μπορεί να τήκεται με διάφορα στοιχεία κραματοποίησης χρησιμοποιώντας μια δέσμη ηλεκτρονίων, τόξο πλάσματος ή τήξη με τόξο κενού.