Titāna ķīmiskās un fizikālās īpašības

Titāns ir stiprs un viegls ugunsizturīgs metāls. Titāna sakausējumi ir vitāli svarīgi aviācijas un kosmosa rūpniecībā, un tos izmanto arī medicīnas, ķīmiskajā un militārajā aparatūrā, kā arī sporta aprīkojumā.

Aviācijas un kosmosa lietojumi veido 80% no titāna patēriņa, savukārt 20% no metāla tiek izmantoti bruņās, medicīnas aparatūrā un patēriņa produktos.

Titāna īpašības

Runājot par titāna īpašībām, mēs nevaram ignorēt tā unikālās fizikālās īpašības. Titāns ir viegls metāls, kura blīvums ir 4,5 grami uz kubikcentimetru, kas nodrošina izcilu izturību. Šis izturības un svara attiecības līdzsvars padara titānu par sastatņu materiālu aviācijas un kosmosa jomā un veicina modernu lidmašīnu attīstību.

Atomu simbols: Ti

Atomu skaits: 22

Elementu kategorija: Pārejas metāls

Blīvums: 4,506/cm3

Kušanas temperatūra: 3038 grādi F (1670 grādi)

Vārīšanās temperatūra: 5949 grādi F (3287 grādi)

Mosa cietība: 6

funkciju

Titānu saturoši sakausējumi ir pazīstami ar savu augsto izturību, vieglo svaru un izcilo izturību pret koroziju. Lai gan titāns ir tikpat stiprs kā tērauds, tas ir par aptuveni 40% vieglāks.

Tas kopā ar izturību pret kavitāciju (straujām spiediena izmaiņām, kas izraisa triecienviļņus, kas laika gaitā vājina vai bojā metālu) un eroziju padara to par būtisku strukturālo metālu aviācijas un kosmosa inženieriem.

Titāns ir arī ļoti izturīgs pret ūdens un ķīmisko vielu koroziju. Šo pretestību izraisa plānas titāna dioksīda (TiO 2) slāņa veidošanās uz tās virsmas, padarot šos materiālus ārkārtīgi grūti caurlaidīgus.

Titānam ir zemāks elastības modulis. Tas nozīmē, ka titāns ir ļoti elastīgs un pēc saliekšanas var atgriezties sākotnējā formā. Atmiņas sakausējumi (sakausējumi, kas aukstā laikā deformējas, bet karsējot atgriežas sākotnējā formā) ir svarīgi daudziem mūsdienu lietojumiem.

Titāns ir nemagnētisks un bioloģiski saderīgs (nav toksisks, nav alerģisks), kā rezultātā to arvien vairāk izmanto medicīnas jomā.

vēsture

Lai saprastu titāna rūpniecisko nozīmi, mums jāatskatās uz tā vēsturi. Titāna atklāšana datēta ar 18. gadsimtu, bet tā postošā forma tika veiksmīgi izolēta tikai 20. gadsimtā. Pēdējo desmitgažu laikā titāns ir pakāpeniski kļuvis nozīmīgs un kļuvis par zinātnes un tehnoloģiju galveno balstu. Līdz ar aviācijas nozares izaugsmi titāna sakausējumi ir kļuvuši par ideālu izvēli gaisa kuģu konstrukcijām. To vieglās un augstas izturības īpašības padara lidmašīnas ne tikai energoefektīvākas, bet arī drošākas.

Titāna izmantošana jebkurā formā patiešām attīstījās tikai pēc Otrā pasaules kara. Faktiski titāns netika izolēts kā metāls līdz 1910. gadam, kad amerikāņu ķīmiķis Metjū Hanters ražoja titānu, reducējot titāna tetrahlorīdu (TiCl 4 ) ar nātriju; metode, kas tagad pazīstama kā Hantera process.

Tomēr komerciālā ražošana nebija iespējama līdz 1930. gadiem, kad Viljams Džastins Krols pierādīja, ka magniju var izmantot arī titāna samazināšanai no hlorīda. Kroll process joprojām ir visizplatītākā komerciālā ražošanas metode mūsdienās.

Titāna pirmā nozīmīgā izmantošana bija militārajās lidmašīnās pēc tam, kad tika izstrādāta rentabla ražošanas metode. Padomju Savienība un ASV sāka izmantot titāna sakausējumus militārajās lidmašīnās un zemūdenēs, kas tika konstruētas pagājušā gadsimta piecdesmitajos un sešdesmitajos gados. Līdz 1960. gadu sākumam komerciālie lidmašīnu ražotāji sāka izmantot arī titāna sakausējumus.

Zviedru ārsta Per-Ingvara Branemarka pētījumi 1950. gados parādīja, ka titāns neizraisa negatīvu imūnreakciju cilvēka organismā, ļaujot metālam integrēties mūsu ķermenī. To sauc par osseointegrāciju.

Ražošana

Titāns ir plaši izmantots vieglais metāls, kura ražošana galvenokārt balstās uz hlorēšanas metodi. Šajā procesā titāna rūda parasti reaģē ar hlora gāzi un koksu, veidojot titāna hlorīdu, kas pēc tam augstā temperatūrā tiek reducēts līdz tīram metāliskam titānam. Šis unikālais un sarežģītais ražošanas process nodrošina mūs ar spēcīgu, vieglu titāna materiālu, lai liktu pamatu pielietojumam dažādās jomās.

Lai gan titāns ir ceturtais izplatītākais metāliskais elements zemes garozā (pēc alumīnija, dzelzs un magnija), titāna metāla ražošana ir ārkārtīgi jutīga pret piesārņojumu, īpaši skābekli, tāpēc tā izstrāde ir salīdzinoši jauna un dārga.

Galvenās rūdas, ko izmanto primārajā titāna ražošanā, ir ilmenīts un rutils, kas veido attiecīgi aptuveni 90% un 10% no produkcijas.

Ilmenīta koncentrāta ražošana 2015. gadā bija tuvu 10 miljoniem tonnu, lai gan tikai neliela daļa (apmēram 5%) no katru gadu saražotā ilmenīta koncentrāta galu galā tiek pārvērsta titāna metālā. Tā vietā lielāko daļu izmanto, lai ražotu titāna dioksīdu (TiO 2 ), balinošu pigmentu, ko izmanto krāsās, pārtikā, farmācijā un kosmētikā.

Pirmajā Kroll procesa posmā titāna rūdu sasmalcina un karsē ar koksa oglēm hlora atmosfērā, lai iegūtu titāna tetrahlorīdu (TiCl 4 ). Pēc tam hlorīds tiek uztverts un izvadīts caur kondensatoru, iegūstot titāna hlorīda šķidrumu ar tīrību līdz 99%.

Pēc tam titāna tetrahlorīds tiek ievadīts tieši traukā, kurā ir izkausēts magnijs. Lai izvairītos no skābekļa piesārņojuma, padariet to inertu, pievienojot argonu.

Sekojošais destilācijas process var ilgt vairākas dienas, kuru laikā trauku uzkarsē līdz 1832 grādiem F (1000 grādiem). Magnijs reaģē ar titāna hlorīdu, atdalot hlorīdu un veidojot elementāru titānu un magnija hlorīdu.

Iegūto šķiedru titānu sauc par sūkļa titānu. Lai ražotu titāna sakausējumus un augstas tīrības pakāpes titāna lietņus, var izmantot elektronu staru, plazmas loka vai vakuuma loka kausēšanu, lai izkausētu titāna sūkli ar dažādiem leģējošiem elementiem.

izmantot

Titāna metāla pielietojums sporta preču jomā galvenokārt ir atspoguļots augstākās klases velosipēdos, golfa nūjās, tenisa raketēs un citā aprīkojumā. Titāna metāla vieglās īpašības padara sporta aprīkojumu elastīgāku un ērtāku, uzlabojot sportistu konkurences līmeni.

Titāna metālu plaši izmanto kosmosa, automobiļu rūpniecībā, medicīnas iekārtās, ķīmiskajā rūpniecībā, elektronikā un sporta precēs un citās jomās. Nepārtraukti attīstoties un progresējot zinātnei un tehnoloģijai, kā arī pilnveidojoties tehnoloģijām, titāna metāla pielietojuma jomas turpinās paplašināties. Titāna metāla lieliskās īpašības un daudzpusība padara to par neatņemamu mūsdienu inženiertehnisko materiālu sastāvdaļu.

 

〔Citāts〕Bell, Terens. "Titāna īpašības un īpašības." ThoughtCo, 2023. gada 4. aprīlis, thinkco.com/metal-profile-titanium-2340158.