Ιδιότητες και χαρακτηριστικά του τιτανίου

Το τιτάνιο είναι ένα ισχυρό και ελαφρύ πυρίμαχο μέταλλο. Κράματα τιτανίου είναι κρίσιμα για την αεροναυπηγική βιομηχανία αλλά, λόγω των πολυάριθμων μοναδικών ιδιοτήτων τους, χρησιμοποιούνται επίσης σε ιατρικές, χημικές και στρατιωτικές εφαρμογές, καθώς και σε αθλητικά είδη.

Ιδιότητες Τιτάνιο

• Ατομικό σύμβολο: Ti
• Ατομικός αριθμός: 22
• Στοιχείο Κατηγορία: μεταβατικό μέταλλο
• Πυκνότητα: 4.506 / cm3
• Σημείο τήξης: 3034 ° Ρ (1668 ° C)
• Σημείο βρασμού: 5949 ° F (3287 ° C)
• Hardness του Moh: 6

Χαρακτηριστικά

Κράματα που περιέχουν τιτάνιο είναι γνωστά για την υψηλή αντοχή, το ελαφρύ και την εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση.

Παρά το γεγονός ότι είναι τόσο ισχυρό όσο ο χάλυβας, το τιτάνιο είναι περίπου 40 τοις εκατό ελαφρύτερο σε βάρος, το οποίο, παράλληλα με την αντοχή του σε σπηλαίωση και διάβρωση, το καθιστά απαραίτητο δομικό μέταλλο για μηχανικούς αεροδιαστημικής.

Το τιτάνιο είναι επίσης τρομερό στην αντοχή του στη διάβρωση τόσο από το νερό όσο και από τα χημικά μέσα. Το κάνει αυτό σχηματίζοντας μια λεπτή στρώση διοξειδίου του τιτανίου (TiO2) στην επιφάνεια του, η οποία είναι εξαιρετικά δύσκολη για να διεισδύσουν αυτά τα υλικά.

Το χαμηλό συντελεστή ελαστικότητας σημαίνει ότι το τιτάνιο δεν είναι επίσης πολύ εύκαμπτο, αλλά επιστρέφει στο αρχικό του σχήμα μετά από κάμψη, με αποτέλεσμα τη σημασία του να διαμορφώνει κράματα μνήμης.

Το τιτάνιο είναι μη μαγνητικό και βιοσυμβατό (μη τοξικό, μη αλλεργιογόνο), γεγονός που έχει οδηγήσει στην αυξανόμενη χρήση του στον ιατρικό τομέα.

Ιστορία

Η χρήση του μετάλλου τιτανίου, σε οποιαδήποτε μορφή, αναπτύχθηκε μόνο μετά τον Δεύτερο 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 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 πιο σημαντική 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 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 οδοντικά εμφυτεύματα και προσθετικά, ξύπνησε τη χρησιμότητα του τιτανίου μετά τις μελέτες του Σουηδού γιατρού Per-Ingvar Branemark, που χρονολογούνται από τη δεκαετία του 1950, έδειξαν ότι το τιτάνιο δεν προκαλεί αρνητική ανοσολογική αντίδραση στους ανθρώπους, επιτρέποντας στο μέταλλο να ενσωματωθεί στο σώμα μας σε μια διαδικασία που ονομάζεται οστεοενσωμάτωση.

Παραγωγή

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

Τα κύρια μεταλλεύματα που χρησιμοποιούνται στην πρωτογενή παραγωγή τιτανίου είναι το ilmenite, το οποίο αντιπροσωπεύει περίπου το 90% της παραγωγής και το rutile, το οποίο αντιπροσωπεύει το υπόλοιπο 10%.

Περίπου 6,3 εκατομμύρια τόνοι μεταλλικού συμπυκνώματος τιτανίου παρήχθησαν το 2010, αν και μόνο ένα μικρό κλάσμα (περίπου 5 τοις εκατό) πυκνού τιτανίου που παράγεται κάθε χρόνο τελικά καταλήγει σε μέταλλο τιτανίου. Αντ 'αυτού, οι περισσότεροι χρησιμοποιούνται στην παραγωγή διοξειδίου του τιτανίου (TiO2), μιας λευκαντικής χρωστικής που χρησιμοποιείται 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 τοις εκατό 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 χλωριούχο 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 τόξου κενού.

Εφαρμογές

Τα κράματα τιτανίου χρησιμοποιούνται κυρίως σε αεροδιαστημικά, στρατιωτικά, ιατρικά, χημικά και αθλητικά είδη

Τις τελευταίες δεκαετίες, οι κατασκευαστές αεροσκαφών έχουν μετατρέψει το τιτάνιο ως βασικό κατασκευαστικό στοιχείο. Από τις πρώτες χρήσεις στις αρχές της δεκαετίας του 1960, η μέση περιεκτικότητα σε τιτάνιο στα εμπορικά αεροσκάφη συνέχισε να αυξάνεται.

Πηγές

TIMET Βίντεο: Η διαδικασία Kroll. Διατίθεται στον ιστότοπο της Διεθνούς Ένωσης για το τιτάνιο: http://www.titanium.orgΗ Γεωλογική Έρευνα των ΗΠΑ: Τιτάνιο. http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/titanium/Vulcan, Tom. 2010. Τιτάνιο: Το μέταλλο των Θεών . Hardassetinvestor.com.