Titaani on hopeanvalkoinen metalli, jota arvostetaan sen lujuuden, keveyden ja korroosionkestävyyden vuoksi. Sen ainutlaatuiset ja toivottavat ominaisuudet ovat johtaneet sen käyttöön useilla teollisuudenaloilla ja sovelluksissa, pääasiassa ilmailu-, auto-, lääke- ja kemianteollisuudessa. Titaania on saatavana useissa eri laatuluokissa ja seoksissa, ja jokainen seostyyppi tarjoaa ainutlaatuisia ominaisuuksia, jotka sopivat tiettyihin sovelluksiin. Tässä artikkelissa määritellään titaani ja kuvataan sen ominaisuuksia, käsitellään sen eri laatuja ja seoksia sekä selitetään titaanin sovelluksia.
Mikä on titaani?
Titaani on hopeanvalkoinen metalli, jonka atomiluku on 22. Se on kevyt, sitkeä, vahva, korroosionkestävä, bioyhteensopiva metalli, jolla on korkea lujuus-painosuhde. Titaani on maan yhdeksänneksi runsain alkuaine. Sitä löytyy yleisesti kivistä, savesta ja hiekasta. Rutiili ja ilmeniitti ovat kaksi tärkeintä kaupallista mineraalia, joita käytetään titaanin uuttamiseen ja jalostukseen. Titaani on jaettu metalliseokseen, metalliseokseen ja -lejeeringiin. Titaani-alfa-lejeeringit seostetaan vain hapella ja usein muiden metallien, kuten alumiinin, molybdeenin ja vanadiinin kanssa. Näiden metallien lisääminen auttaa saavuttamaan halutut ominaisuudet, kuten lisääntynyt lujuus, korroosionkestävyys ja pienempi paino. Titaanin ja sen seosten yleisiä sovelluksia ovat: kaupalliset ja ilmailusovellukset, voimalaitosten lauhduttimet, suolanpoistolaitokset, merisovellukset, rakennustuotteet, lääketieteelliset implantit, kuten nivelten korvaavat laitteistot, ja kuluttajatuotteet, kuten golfmailat ja polkupyörän rungot.
Mikä on titaanin alkuperä?
Brittiläinen kemisti ja mineralogi William Gregor löysi titaanin vuonna 1791, ja saksalainen kemisti Martin Heinrich nimesi sen vuonna 1795. Klapoulos nimesi tämän alkuaineen "titaaniksi" titaanien mukaan kreikkalaisessa mytologiassa. Puhdasta titaania oli kuitenkin saatavilla vasta vuonna 1910. Rensselaer Polytechnic Instituten tutkija MA Hunter erotti metallit kuumentamalla titaanitetrakloridia (TiCl4) natriumin kanssa korkeassa paineessa ja lämpötilassa (1292-1472 astetta F), jolloin saatiin puhdasta titaania. ja natriumkloridi sivutuotteina. Sitten, vuonna 1932, William Justin Kroll eristi titaania pelkistämällä TiCl4:n jakeella kalsiumilla, minkä jälkeen magnesiumilla ja natriumilla. Nykyään "Kroll-prosessi" on prosessi, jota käytetään yleisesti kaupalliseen titaanin tuotantoon.
Mikä on toinen termi titaanille?
Titaania kutsutaan joskus "ihmemetalliksi" tai "ilmailumetalliksi", koska sillä on monia ilmailusovelluksiin vaadittavia ominaisuuksia. Titaanin alhainen tiheys, sitkeys, vetolujuus ja korroosionkestävyys vaikuttavat kaikki sen lempinimeen.
Mikä on titaanin kemiallinen symboli?
Titaanin kemiallinen symboli on "Ti".
Mistä titaani on tehty?
Koska titaani reagoi helposti hapen kanssa, puhdasta titaania ei löydy luonnosta. Sen sijaan titaania löytyy melkein kaikista maapallon kivistä, savesta, hiekasta ja mineraaleista titaanidioksidin muodossa. Rutiili ja ilmeniitti ovat kaksi päämineraalia, joita käytetään titaanin kaupallisessa tuotannossa. Anataasi, perovskiitti, brookiitti ja titaniitti sisältävät myös titaania. Jokainen edellä mainituista mineraaleista voidaan jalostaa puhtaan titaanin saamiseksi.
Miten titaania valmistetaan?
Kroll-prosessi on yleisin menetelmä puhtaan titaanin valmistamiseksi. Prosessi alkaa kuumentamalla malmia, kuten rutiilia tai ilmeniittiä nestemäisen titaanitetrakloridin (TiCl4) tuottamiseksi. TiCl4-neste puhdistetaan sitten jakotislauksella (samanlainen kuin fraktiointiprosessi, jota käytetään bensiinin valmistamiseen raakaöljystä). Tislauksen jälkeen sulaa magnesiumia lisätään nestemäiseen TiCl4:ään, jolloin muodostuu huokoinen titaani"sieni" ja magnesiumpohjainen suola. Sitten titaanisieni puristetaan ja sulatetaan valokaariuunissa. Lopuksi puhdas titaani valetaan harkoiksi. Seoksia voidaan valmistaa sekoittamalla sulatettua puhdasta titaania muiden metallien kanssa ja sitten valamalla se harkoiksi.
Mitkä ovat titaanin tärkeimmät ominaisuudet?
Titaanin ominaisuudet vaihtelevat laadun ja tietyn seoksen mukaan. Alla olevassa taulukossa on kuitenkin esitetty joitakin titaanin yleisiä ominaisuuksia:
Korroosionkestävyys: Titaani kestää erittäin hyvin meriveden, kloorin ja monien muiden syövyttävien aineiden aiheuttamaa korroosiota, mikä tekee siitä hyödyllisen meri- ja kemiankäsittelysovelluksissa.
Kevyt: Titaani on vähemmän tiheää kuin monet muut metallit. Se soveltuu erinomaisesti käytettäväksi kevyissä rakenteissa ja komponenteissa ilmailu- ja autoteollisuudessa.
Suuri lujuus: Titaanin lujuus on verrattavissa teräkseen. Titaanin pienemmän tiheyden vuoksi yhtä luja titaanirakenne painaa kuitenkin noin 45 % vähemmän kuin vastaava teräsrakenne. Suuren lujuutensa ja korkean lujuus-painosuhteensa ansiosta titaania käytetään yleisesti ilmailu-, auto-, lääketieteessä ja merenkulussa.
Biologinen yhteensopivuus: Titaania pidetään bioyhteensopivimpana metallina sen inerttisyyden, kehon nesteiden korroosionkestävyyden, kyvyn integroitua luuhun (osseointegraatio) ja korkean syklisen väsymisrajan vuoksi. Tämä mahdollistaa titaanin käytön luu-, nivel- ja hammasimplanteissa.
Lämmönkestävyys: Titaanilla on alhainen lämmönjohtavuus. Tämä tekee titaanista ihanteellisen korkean lämpötilan sovelluksiin, kuten koneistukseen, avaruusaluksiin, suihkumoottoreihin, ohjuksiin ja autoihin.
Ei-magneettinen: Titaani on ei-magneettinen, mutta muuttuu paramagneettiseksi magneettikentän läsnä ollessa.
Mutavuus: Titaani on sitkeä metalli, ja sen sitkeys kasvaa lämpötilan myötä. Lisäksi titaanin seostaminen muiden sitkeiden metallien, kuten alumiinin, kanssa voi lisätä merkittävästi sen sitkeyttä.
Matala lämpölaajeneminen: Titaanilla on alhainen lämpölaajenemiskerroin. Titaani ei laajene tai supistu äärimmäisissä lämpötiloissa kuten muut materiaalit, kuten teräs. Sen alhaiset lämpölaajenemisominaisuudet tekevät titaanista ihanteellisen korkeita lämpötiloja koskeviin rakennesovelluksiin, kuten ilmailu- ja avaruusaluksiin tai suuriin rakennuksiin ja pilvenpiirtäjiin tulipalon sattuessa.
Erinomainen väsymiskestävyys: Titaanilla on erinomainen väsymiskestävyys. Tämä tekee titaanista soveltuvan hyvin ilmailu- ja avaruussovelluksiin, joissa lentokoneiden rakenneosat, kuten laskutelineet, hydraulijärjestelmät ja pakoputket, ovat alttiina syklisille kuormituksille.
Mikä on titaanin väri?
Titaani on hopeanharmaa tai hopeanvalkoinen. Jos titaani anodisoidaan tietyllä tavalla, se voi kuitenkin saavuttaa täyden valikoiman värejä. Säätämällä jännitettä anodisoinnin aikana voidaan saada eri värejä titaanista.
Miltä titaani näyttää?
Titaania löytyy yleisesti magma- ja sedimenttikivistä ja mineraaleista. Ilmeniitti (rautatitaanioksidi) ja rutiili ovat kaksi mineraalia, joista titaania yleisesti uutetaan. Ilmeniitti on harmaa-musta kivi, kun taas rutiili on tummanruskeasta mustaan kivi, jolla on kiteinen ulkonäkö.
