Kjemiske og fysiske egenskaper av titan

Titan er et sterkt og lett ildfast metall. Titanlegeringer er avgjørende for romfartsindustrien og brukes også i medisinsk, kjemisk og militær maskinvare samt sportsutstyr.

Luftfartsapplikasjoner står for 80 % av titanforbruket, mens 20 % av metallet brukes i rustning, medisinsk maskinvare og forbrukerprodukter.

Titanium egenskaper

Når det kommer til egenskapene til titan, kan vi ikke ignorere dets unike fysiske egenskaper. Titan er et lettmetall med en tetthet på 4,5 gram per kubikkcentimeter, noe som gir det utmerket styrke. Denne balansen mellom styrke-til-vekt-forhold gjør titan til et stillasmateriale i romfartsfeltet og fremmer utviklingen av moderne fly.

Atomsymbol: Ti

Atomnummer: 22

Elementkategori: Overgangsmetall

Tetthet: 4,506/cm 3

Smeltepunkt: 3038 grader F (1670 grader)

Kokepunkt: 5949 grader F (3287 grader)

Mohs hardhet: 6

trekk

Titanholdige legeringer er kjent for sin høye styrke, lette vekt og utmerket korrosjonsbestandighet. Selv om titan er like sterkt som stål, er det omtrent 40 % lettere.

Dette, kombinert med motstanden mot kavitasjon (raske trykkendringer som forårsaker sjokkbølger som svekker eller skader metallet over tid) og erosjon, gjør det til et essensielt strukturelt metall for romfartsingeniører.

Titan er også svært motstandsdyktig mot korrosjon fra vann og kjemiske medier. Denne motstanden er forårsaket av dannelsen av et tynt lag titandioksid (TiO 2 ) på overflaten, noe som gjør disse materialene ekstremt vanskelige å penetrere.

Titan har en lavere elastisitetsmodul. Dette betyr at titan er svært fleksibelt og kan gå tilbake til sin opprinnelige form etter bøyning. Minnelegeringer (legeringer som deformeres når de er kalde, men går tilbake til sin opprinnelige form når de varmes opp) er viktige for mange moderne bruksområder.

Titan er ikke-magnetisk og biokompatibelt (ikke-giftig, ikke-allergifremkallende), noe som har ført til økende bruk i det medisinske feltet.

historie

For å forstå den industrielle betydningen av titan, må vi se tilbake på historien. Oppdagelsen av titan dateres tilbake til 1700-tallet, men dens destruktive form ble ikke vellykket isolert før på 1900-tallet. I løpet av de siste tiårene har titan gradvis blitt fremtredende og blitt bærebjelken i vitenskap og teknologi. Med fremveksten av luftfartsindustrien har titanlegeringer blitt et ideelt valg for flystrukturer. Deres lette og høye styrkeegenskaper gjør fly ikke bare mer energieffektive, men også sikrere.

Bruken av titan, uansett form, utviklet seg først etter andre verdenskrig. Faktisk ble titan ikke isolert som et metall før i 1910 da den amerikanske kjemikeren Matthew Hunter produserte titan ved å redusere titantetraklorid (TiCl 4 ) med natrium; en metode nå kjent som Hunter-prosessen.

Kommersiell produksjon var imidlertid ikke mulig før på 1930-tallet da William Justin Kroll demonstrerte at magnesium også kunne brukes til å redusere titan fra klorid. Kroll-prosessen er fortsatt den mest brukte kommersielle produksjonsmetoden i dag.

Titaniums første store bruk var i militære fly etter at en kostnadseffektiv produksjonsmetode ble utviklet. Sovjetunionen og USA begynte å bruke titanlegeringer i militære fly og ubåter designet på 1950- og 1960-tallet. På begynnelsen av 1960-tallet begynte også produsenter av kommersielle fly å bruke titanlegeringer.

Forskning fra den svenske legen Per-Ingvar Branemark fra 1950-tallet viste at titan ikke utløser en negativ immunrespons i menneskekroppen, slik at metallet kan integreres i kroppene våre. Det kalles osseointegrasjon.

Produksjon

Titan er et mye brukt lettmetall hvis produksjon hovedsakelig er avhengig av kloreringsmetoden. I denne prosessen reagerer titanmalm vanligvis med klorgass og koks for å generere titanklorid, som deretter reduseres til rent metallisk titan gjennom høy temperatur. Denne unike og komplekse produksjonsprosessen gir oss et sterkt, lett titanmateriale for å legge grunnlaget for applikasjoner innen en rekke felt.

Selv om titan er det fjerde vanligste metalliske elementet i jordskorpen (etter aluminium, jern og magnesium), er produksjonen av titanmetall ekstremt følsom for forurensning, spesielt oksygen, og derfor er utviklingen relativt ny og kostbar.

De viktigste malmene som brukes i primær titanproduksjon er ilmenitt og rutil, som står for henholdsvis omtrent 90 % og 10 % av produksjonen.

Produksjonen av ilmenittkonsentrat i 2015 var nær 10 millioner tonn, selv om bare en liten andel (omtrent 5%) av ilmenittkonsentratet som produseres hvert år til slutt blir omdannet til titanmetall. I stedet brukes det meste til å produsere titandioksid (TiO 2 ), et blekende pigment som brukes i maling, mat, legemidler og kosmetikk.

I det første trinnet av Kroll-prosessen knuses titanmalm og varmes opp med kokskull i kloratmosfære for å produsere titantetraklorid (TiCl 4 ). Kloridet blir deretter fanget og ført gjennom en kondensator, og produserer titankloridvæske med en renhet på opptil 99 %.

Titantetrakloridet mates deretter direkte inn i beholderen som inneholder smeltet magnesium. For å unngå oksygenforurensning, gjør den inert ved å tilsette argon.

Den påfølgende destillasjonsprosessen kan ta flere dager, hvor karet varmes opp til 1832 grader F (1000 grader). Magnesium reagerer med titanklorid, fjerner kloridet og produserer elementært titan og magnesiumklorid.

Det resulterende fibrøse titanet kalles svamptitan. For å produsere titanlegeringer og titanblokker med høy renhet, kan elektronstråle, plasmabue eller vakuumbuesmelting brukes til å smelte titansvamp med forskjellige legeringselementer.

bruk

Anvendelsen av titanmetall innen sportsutstyr gjenspeiles hovedsakelig i avanserte sykler, golfkøller, tennisracketer og annet utstyr. De lette egenskapene til titanmetall gjør sportsutstyr mer fleksibelt og komfortabelt, og forbedrer idrettsutøvernes konkurransenivå.

Titanmetall er mye brukt i romfart, bilindustri, medisinsk utstyr, kjemisk industri, elektronikk og sportsutstyr og andre felt. Med kontinuerlig utvikling og fremgang av vitenskap og teknologi og forbedring av teknologi, vil bruksområdene for titanmetall fortsette å utvide seg. De utmerkede egenskapene og allsidigheten til titanmetall gjør det til en uunnværlig del av moderne ingeniørmaterialer.

 

〔Sitat〕Bell, Terence. "Egenskaper og egenskaper til titan." ThoughtCo, 4. april 2023, thoughtco.com/metal-profile-titanium-2340158.