Titano savybės ir charakteristikos

Šis metalas naudojamas aviacijos, karinės ir medicinos srityse

Monty Rakusen / Kultūra / Getty Images

Titanas yra stiprus ir lengvas ugniai atsparus metalas. Titano lydiniai yra labai svarbūs aviacijos ir kosmoso pramonei, taip pat naudojami medicinos, chemijos ir karinėje aparatinėje bei sporto įrangoje.

Aviacijos ir kosmoso programos sąskaitą 80% titano suvartojimo, o 20% metalo sunaudojama šarvams, medicinos įrangai ir plataus vartojimo prekėms.

Titano savybės

• Atominis simbolis: tu
• Atominis skaičius: 22
• Elemento kategorija: pereinamasis metalas
• Tankis: 4,506/cm³
• Lydymosi temperatūra: 3038 °F (1670 °C)
• Virimo temperatūra: 5949 °F (3287 °C)
• Moho kietumas: 6

Charakteristikos

Lydiniai titano turintys produktai yra žinomi dėl didelio stiprumo, mažo svorio ir išskirtinio atsparumo korozijai. Nepaisant to, kad yra stiprus kaip plieno , titanas yra apie 40 % lengvesnis.

Tai, kartu su atsparumu kavitacijai (staigiems slėgio pokyčiams, sukeliantiems smūgines bangas, kurios laikui bėgant gali susilpnėti arba sugadinti metalą) ir erozijai, daro jį svarbiu konstrukciniu metalu aviacijos ir kosmoso inžinieriams.

Titanas taip pat yra didžiulis savo atsparumukorozijatiek vandeniu, tiek cheminėmis terpėmis. Šis atsparumas yra plono titano dioksido sluoksnio (TiO_du), kuris susidaro ant jo paviršiaus, į kurį šios medžiagos labai sunkiai prasiskverbia.

Titanas turi mažą elastingumo modulį. Tai reiškia, kad titanas yra labai lankstus ir po lenkimo gali grįžti į pradinę formą. Atminties lydiniai (lydiniai, kurie šaltai gali deformuotis, bet kaitinant grįš į pradinę formą) yra svarbūs daugeliui šiuolaikinių pritaikymų.

Titanas yra nemagnetinis ir biologiškai suderinamas (netoksiškas, nesukeliantis alergijos), todėl jis vis dažniau naudojamas medicinos srityje.

Istorija

Titano metalo naudojimas bet kokia forma iš tikrųjų buvo išplėtotas tik po Antrojo pasaulinio karo. Tiesą sakant, titanas nebuvo izoliuotas kaip metalas, kol amerikiečių chemikas Matthew Hunteris jo nepagamino redukuodamas titano tetrachloridą (TiCl).₄) su natriu 1910 m. metodas, dabar žinomas kaip Hunter procesas.

Tačiau komercinė gamyba prasidėjo tik po to, kai Williamas Justinas Krollas parodė, kad 1930-aisiais titaną taip pat galima redukuoti iš chlorido naudojant magnį. Kroll procesas iki šiol išlieka dažniausiai naudojamas komercinės gamybos būdas.

Po to, kai buvo sukurtas ekonomiškas gamybos metodas, titanas pirmą kartą buvo naudojamas kariniuose orlaiviuose. Tiek sovietų, tiek amerikiečių kariniai orlaiviai ir povandeniniai laivai, sukurti šeštajame ir šeštajame dešimtmečiuose, pradėjo naudoti titano lydinius. Septintojo dešimtmečio pradžioje titano lydinius pradėjo naudoti ir komerciniai orlaivių gamintojai.

Medicinos sritis, ypač dantų implantai ir protezavimas, suprato titano naudingumą po to, kai šeštajame dešimtmetyje švedų gydytojo Per-Ingvar Branemark tyrimai parodė, kad titanas nesukelia neigiamo žmogaus imuninio atsako, todėl metalas gali integruotis į mūsų organizmą. vadinama osseointegracija.

Gamyba

Nors titanas yra ketvirtas labiausiai paplitęs metalinis elementas žemės plutoje (po aliuminio, geležies ir magnio), titano metalo gamyba yra ypač jautri užterštumui, ypač deguonimi, dėl kurios jis vystosi palyginti neseniai ir yra brangus.

Pagrindinės rūdos, naudojamos pirminėje titano gamyboje, yra ilmenitas ir rutilas, kurie atitinkamai sudaro apie 90% ir 10% produkcijos.

2015 m. buvo pagaminta beveik 10 milijonų tonų titano mineralinio koncentrato, nors tik nedidelė dalis (apie 5 %) kasmet pagaminamo titano koncentrato galiausiai patenka į titano metalą. Vietoj to, dauguma jų yra naudojami titano dioksido (TiO_du), balinimo priemonė pigmentas naudojami dažuose, maisto produktuose, vaistuose ir kosmetikoje.

Pirmajame Kroll proceso etape titano rūda susmulkinama ir kaitinama koksine akmens anglimi chloro atmosferoje, kad susidarytų titano tetrachloridas (TiCl).₄). Tada chloridas sugaunamas ir siunčiamas per kondensatorių, kuris gamina titano chlorido skystį, kurio grynumas yra didesnis 99%.

Tada titano tetrachloridas siunčiamas tiesiai į indus, kuriuose yra išlydyto magnio. Siekiant išvengti deguonies užteršimo, jis padaromas inertišku pridedant argono dujų.

Tolesnio distiliavimo proceso metu, kuris gali užtrukti keletą dienų, indas įkaitinamas iki 1832 °F (1000 °C). Magnis reaguoja su titano chloridu, pašalindamas chloridą ir gamindamas elementinį titaną ir magnio chloridą.

Dėl to susidaręs pluoštinis titanas vadinamas titano kempine. Norint gaminti titano lydinius ir didelio grynumo titano luitus, titano kempinę galima išlydyti su įvairiais legiravimo elementais, naudojant elektronų pluoštą, plazmos lanką arba vakuuminį lanką.