Хімічні та фізичні властивості титану

Титан - міцний і легкий тугоплавкий метал. Титанові сплави життєво важливі для аерокосмічної промисловості, а також використовуються в медичному, хімічному та військовому обладнанні, а також у спортивному обладнанні.

Аерокосмічна галузь припадає на 80% споживання титану, тоді як 20% металу використовується в броні, медичному обладнанні та споживчих товарах.

Властивості титану

Коли мова заходить про властивості титану, ми не можемо ігнорувати його унікальні фізичні властивості. Титан є легким металом із щільністю 4,5 грама на кубічний сантиметр, що надає йому відмінну міцність. Цей баланс між міцністю та вагою робить титан основним матеріалом для аерокосмічної галузі та сприяє розвитку сучасних літаків.

Атомний символ: Ti

Атомний номер: 22

Категорія елемента: перехідний метал

Щільність: 4,506/см 3

Температура плавлення: 3038 градусів F (1670 градусів)

Точка кипіння: 5949 градусів F (3287 градусів)

Твердість за шкалою Мооса: 6

функція

Сплави, що містять титан, відомі своєю високою міцністю, малою вагою та чудовою стійкістю до корозії. Хоча титан такий же міцний, як сталь, він приблизно на 40% легший.

Це, у поєднанні з його стійкістю до кавітації (швидкі зміни тиску, які викликають ударні хвилі, які з часом послаблюють або пошкоджують метал) і ерозії, робить його важливим конструкційним металом для аерокосмічних інженерів.

Титан також має високу стійкість до корозії під дією води та хімічних середовищ. Цей опір спричинений утворенням тонкого шару діоксиду титану (TiO 2 ) на його поверхні, що робить проникнення через ці матеріали надзвичайно складним.

Титан має менший модуль пружності. Це означає, що титан дуже гнучкий і може повернутися до початкової форми після згинання. Сплави з пам’яттю (сплави, які деформуються при охолодженні, але повертаються до початкової форми при нагріванні) важливі для багатьох сучасних застосувань.

Титан немагнітний і біосумісний (нетоксичний, не викликає алергії), що призвело до його все більшого використання в медичній галузі.

історії

Щоб зрозуміти промислове значення титану, нам потрібно озирнутися на його історію. Відкриття титану датується 18 століттям, але його руйнівну форму вдалося не виділити до 20 століття. За останні кілька десятиліть титан поступово набув популярності та став опорою науки й техніки. З розвитком авіаційної промисловості титанові сплави стали ідеальним вибором для конструкцій літаків. Їхня легкість і висока міцність роблять літаки не тільки більш енергоефективними, але й безпечнішими.

Використання титану в будь-якій формі набуло реального розвитку лише після Другої світової війни. Насправді титан не був виділений як метал до 1910 року, коли американський хімік Метью Хантер виготовив титан шляхом відновлення тетрахлориду титану (TiCl 4 ) натрієм; метод, тепер відомий як процес Хантера.

Однак комерційне виробництво було неможливим до 1930-х років, коли Вільям Джастін Кролл продемонстрував, що магній також можна використовувати для відновлення титану з хлориду. Процес Кролла залишається найбільш часто використовуваним комерційним методом виробництва сьогодні.

Перше велике застосування титану було у військових літаках після того, як був розроблений економічно ефективний метод виробництва. Радянський Союз і США почали використовувати титанові сплави у військових літаках і підводних човнах, розроблених у 1950-1960-х роках. На початку 1960-х виробники комерційних літаків також почали використовувати титанові сплави.

Дослідження, проведені шведським лікарем Пер-Інгваром Бранемарком у 1950-х роках, показали, що титан не викликає негативної імунної відповіді в організмі людини, дозволяючи металу інтегруватися в наше тіло. Це називається остеоінтеграція.

виробництво

Титан є широко використовуваним легким металом, виробництво якого в основному залежить від методу хлорування. У цьому процесі титанова руда зазвичай реагує з газоподібним хлором і коксом, утворюючи хлорид титану, який потім відновлюється до чистого металевого титану за допомогою високої температури. Цей унікальний і складний виробничий процес дає нам міцний, легкий титановий матеріал, щоб закласти основу для застосування в різноманітних галузях.

Хоча титан є четвертим найпоширенішим металевим елементом у земній корі (після алюмінію, заліза та магнію), виробництво металевого титану надзвичайно чутливе до забруднення, особливо кисню, тому його розробка є відносно новою та дорогою.

Основними рудами, що використовуються в первинному виробництві титану, є ільменіт і рутил, на які припадає приблизно 90% і 10% виробництва відповідно.

Виробництво ільменітового концентрату в 2015 році становило близько 10 мільйонів тонн, хоча лише невелика частка (близько 5%) ільменітового концентрату, виробленого щороку, в кінцевому підсумку перетворюється на металевий титан. Натомість більшість використовується для виробництва діоксиду титану (TiO 2 ), відбілюючого пігменту, який використовується у фарбах, продуктах харчування, фармацевтичних препаратах і косметиці.

На першому етапі процесу Kroll титанова руда подрібнюється та нагрівається з коксівним вугіллям в атмосфері хлору для отримання тетрахлориду титану (TiCl 4 ). Потім хлорид захоплюють і пропускають через конденсатор, утворюючи рідкий хлорид титану з чистотою до 99%.

Потім тетрахлорид титану подається безпосередньо в посудину, що містить розплавлений магній. Щоб уникнути забруднення киснем, зробіть його інертним, додавши аргон.

Подальший процес дистиляції може тривати кілька днів, протягом яких посудина нагрівається до 1832 градусів F (1000 градусів). Магній реагує з хлоридом титану, видаляючи хлорид і утворюючи елементарний титан і хлорид магнію.

Отриманий волокнистий титан називається губчастим титаном. Для виробництва титанових сплавів і титанових зливків високої чистоти можна використовувати електронний промінь, плазмову дугу або вакуумно-дугову плавку для плавлення губчастого титану з різними легуючими елементами.

використовувати

Застосування металевого титану в області спортивних товарів в основному відображено в висококласних велосипедах, ключках для гольфу, тенісних ракетках та іншому обладнанні. Легкі властивості металевого титану роблять спортивне обладнання більш гнучким і зручним, підвищуючи змагальний рівень спортсменів.

Титановий метал широко використовується в аерокосмічній, автомобільній промисловості, медичному обладнанні, хімічній промисловості, електроніці та спортивних товарах та інших галузях. З безперервним розвитком і прогресом науки і техніки та вдосконаленням технології області застосування металевого титану продовжуватимуть розширюватися. Чудові властивості та універсальність металевого титану роблять його незамінною частиною сучасних інженерних матеріалів.

 

〔Цитата〕Белл, Теренс. «Властивості та властивості титану». ThoughtCo, 4 квітня 2023 р., thoughtco.com/metal-profile-titanium-2340158.