Kemiska och fysikaliska egenskaper hos titan

Titan är en stark och lätt eldfast metall. Titanlegeringar är avgörande för flygindustrin och används även i medicinsk, kemisk och militär hårdvara samt sportutrustning.

Flygtillämpningar står för 80 % av titanförbrukningen, medan 20 % av metallen används i rustningar, medicinsk hårdvara och konsumentprodukter.

Titan egenskaper

När det kommer till egenskaperna hos titan kan vi inte bortse från dess unika fysiska egenskaper. Titan är en lätt metall med en densitet på 4,5 gram per kubikcentimeter, vilket ger den utmärkt styrka. Denna balans mellan styrka och viktförhållande gör titan till ett ställningsmaterial inom flyg- och rymdområdet och främjar utvecklingen av moderna flygplan.

Atomsymbol: Ti

Atomnummer: 22

Elementkategori: Övergångsmetall

Densitet: 4,506/cm 3

Smältpunkt: 3038 grader F (1670 grader)

Kokpunkt: 5949 grader F (3287 grader)

Mohs hårdhet: 6

funktion

Titanhaltiga legeringar är kända för sin höga hållfasthet, låga vikt och utmärkta korrosionsbeständighet. Även om titan är lika starkt som stål, är det cirka 40 % lättare.

Detta, tillsammans med dess motståndskraft mot kavitation (snabba tryckförändringar som orsakar stötvågor som försvagar eller skadar metallen med tiden) och erosion, gör den till en viktig strukturell metall för rymdingenjörer.

Titan är också mycket resistent mot korrosion från vatten och kemiska medier. Detta motstånd orsakas av bildandet av ett tunt lager av titandioxid (TiO 2 ) på dess yta, vilket gör dessa material extremt svåra att penetrera.

Titan har en lägre elasticitetsmodul. Detta gör att titan är mycket flexibelt och kan återgå till sin ursprungliga form efter böjning. Minneslegeringar (legeringar som deformeras när de är kalla men återgår till sin ursprungliga form när de värms upp) är viktiga för många moderna applikationer.

Titan är omagnetiskt och biokompatibelt (icke-toxiskt, icke-allergen), vilket har lett till att det används i allt högre grad inom det medicinska området.

historia

För att förstå den industriella betydelsen av titan måste vi titta tillbaka på dess historia. Upptäckten av titan går tillbaka till 1700-talet, men dess destruktiva form isolerades inte framgångsrikt förrän på 1900-talet. Under de senaste decennierna har titan gradvis blivit framträdande och blivit grundpelaren inom vetenskap och teknik. Med framväxten av flygindustrin har titanlegeringar blivit ett idealiskt val för flygplanskonstruktioner. Deras lätta och höghållfasta egenskaper gör flygplan inte bara mer energieffektiva, utan också säkrare.

Användningen av titan, i vilken form som helst, utvecklades först efter andra världskriget. Faktum är att titan inte isolerades som en metall förrän 1910 när den amerikanske kemisten Matthew Hunter producerade titan genom att reducera titantetraklorid (TiCl 4 ) med natrium; en metod som nu kallas Hunterprocessen.

Kommersiell produktion var dock inte möjlig förrän på 1930-talet när William Justin Kroll visade att magnesium också kunde användas för att reducera titan från klorid. Kroll-processen är fortfarande den vanligaste kommersiella produktionsmetoden idag.

Titans första stora användning var i militära flygplan efter att en kostnadseffektiv produktionsmetod utvecklats. Sovjetunionen och USA började använda titanlegeringar i militära flygplan och ubåtar designade på 1950- och 1960-talen. I början av 1960-talet började även kommersiella flygplanstillverkare använda titanlegeringar.

Forskning av den svenske läkaren Per-Ingvar Branemark med anor från 1950-talet visade att titan inte utlöser ett negativt immunsvar i människokroppen, vilket gör att metallen kan integreras i våra kroppar. Det kallas osseointegration.

Produktion

Titan är en mycket använd lättmetall vars produktion huvudsakligen bygger på kloreringsmetoden. I denna process reagerar titanmalm vanligtvis med klorgas och koks för att generera titanklorid, som sedan reduceras till rent metalliskt titan genom hög temperatur. Denna unika och komplexa produktionsprocess ger oss ett starkt, lätt titanmaterial för att lägga grunden för applikationer inom en mängd olika områden.

Även om titan är det fjärde vanligaste metalliska grundämnet i jordskorpan (efter aluminium, järn och magnesium) är produktionen av titanmetall extremt känslig för föroreningar, särskilt syre, varför utvecklingen är relativt ny och kostsam.

De huvudsakliga malmerna som används i primär titanproduktion är ilmenit och rutil, som står för cirka 90 % respektive 10 % av produktionen.

Produktionen av ilmenitkoncentrat 2015 var nära 10 miljoner ton, även om endast en liten del (cirka 5%) av det ilmenitkoncentrat som produceras varje år i slutändan omvandlas till titanmetall. Istället används det mesta för att producera titandioxid (TiO 2 ), ett blekande pigment som används i färger, livsmedel, läkemedel och kosmetika.

I det första steget av Kroll-processen krossas titanmalm och värms upp med kokskol i en kloratmosfär för att producera titantetraklorid (TiCl 4 ). Kloriden fångas sedan upp och passeras genom en kondensor, vilket ger titankloridvätska med en renhet på upp till 99 %.

Titantetrakloriden matas sedan direkt in i kärlet som innehåller smält magnesium. För att undvika syreförorening, gör den inert genom att tillsätta argon.

Den efterföljande destillationsprocessen kan ta flera dagar, under vilken kärlet värms upp till 1832 grader F (1000 grader). Magnesium reagerar med titanklorid, avlägsnar kloriden och producerar elementär titan och magnesiumklorid.

Det resulterande fibrösa titanet kallas svamptitan. För att producera titanlegeringar och titanlegeringar av hög renhet, kan elektronstråle, plasmabågsmältning eller vakuumbågsmältning användas för att smälta titansvamp med olika legeringselement.

använda sig av

Användningen av titanmetall inom sportartiklar återspeglas främst i avancerade cyklar, golfklubbor, tennisracketar och annan utrustning. De lätta egenskaperna hos titanmetall gör sportutrustning mer flexibel och bekväm, vilket förbättrar idrottarnas konkurrenskraft.

Titanmetall används ofta inom flyg-, bilindustrin, medicinsk utrustning, kemisk industri, elektronik och sportartiklar och andra områden. Med den kontinuerliga utvecklingen och framstegen inom vetenskap och teknik och förbättring av tekniken kommer applikationsområdena för titanmetall att fortsätta att expandera. De utmärkta egenskaperna och mångsidigheten hos titanmetall gör den till en oumbärlig del av moderna tekniska material.

 

〔Citat〕Bell, Terence. "Egenskaper och egenskaper hos titan." ThoughtCo, 4 april 2023, thoughtco.com/metal-profile-titanium-2340158.