תכונות כימיות ופיזיקליות של טיטניום

טיטניום היא מתכת עקשן חזקה וקלת משקל. סגסוגות טיטניום חיוניות לתעשיית התעופה והחלל ומשמשות גם בחומרה רפואית, כימית וצבאית וכן בציוד ספורט.

יישומי תעופה וחלל מהווים 80% מצריכת הטיטניום, בעוד 20% מהמתכת משמשת בשריון, חומרה רפואית ומוצרי צריכה.

תכונות טיטניום

בכל הנוגע לתכונות הטיטניום, איננו יכולים להתעלם מהתכונות הפיזיקליות הייחודיות שלו. טיטניום היא מתכת קלת משקל עם צפיפות של 4.5 גרם לסנטימטר מעוקב, המעניקה לה חוזק מעולה. מאזן זה של יחס חוזק-משקל הופך את הטיטניום לחומר פיגום בתחום התעופה והחלל ומקדם את הפיתוח של כלי טיס מודרניים.

סמל אטומי: טי

מספר אטומי: 22

קטגוריית אלמנט: מתכת מעבר

צפיפות: 4.506/ס"מ 3

נקודת התכה: 3038 מעלות F (1670 מעלות)

נקודת רתיחה: 5949 מעלות פרנהייט (3287 מעלות)

קשיות מוהס: 6

תכונה

סגסוגות המכילות טיטניום ידועות בחוזק הגבוה שלהן, במשקלן הקל ועמידותן המצוינת בפני קורוזיה. למרות שטיטניום חזק כמו פלדה, הוא קל יותר בכ-40%.

זאת, יחד עם עמידותה בפני קוויטציה (שינויי לחץ מהירים הגורמים לגלי הלם המחלישים או פוגעים למתכת לאורך זמן) ושחיקה, הופכים אותה למתכת מבנית חיונית למהנדסי תעופה וחלל.

טיטניום גם עמיד מאוד בפני קורוזיה על ידי מים ומדיה כימית. התנגדות זו נגרמת על ידי היווצרות של שכבה דקה של טיטניום דו חמצני (TiO 2 ) על פני השטח שלה, מה שהופך את החומרים הללו לקשים ביותר לחדירה.

לטיטניום מודול גמישות נמוך יותר. המשמעות היא שהטיטניום גמיש מאוד ויכול לחזור לצורתו המקורית לאחר כיפוף. סגסוגות זיכרון (סגסוגות שמתעוותות כשהן קרות אבל חוזרות לצורתן המקורית כשהן מחוממות) חשובות ליישומים מודרניים רבים.

טיטניום אינו מגנטי ותואם ביו (לא רעיל, לא אלרגני), מה שהוביל לשימוש הולך וגובר בתחום הרפואי.

הִיסטוֹרִיָה

כדי להבין את החשיבות התעשייתית של טיטניום, עלינו להסתכל אחורה על ההיסטוריה שלו. גילוי הטיטניום מתחיל במאה ה-18, אך צורתו ההרסנית לא בודדה בהצלחה עד המאה ה-20. בעשורים האחרונים, טיטניום הגיע בהדרגה לגדולה והפך לעמוד התווך של המדע והטכנולוגיה. עם עליית תעשיית התעופה, סגסוגות טיטניום הפכו לבחירה אידיאלית עבור מבני מטוסים. תכונותיהם הקלות והחזקות הופכות את המטוס לא רק לחסכוני יותר באנרגיה, אלא גם בטוח יותר.

השימוש בטיטניום, בכל צורה שהיא, התפתח באמת רק לאחר מלחמת העולם השנייה. למעשה, טיטניום לא בודד כמתכת עד 1910 כאשר הכימאי האמריקאי מתיו האנטר ייצר טיטניום על ידי הפחתת טיטניום טטרכלוריד (TiCl 4 ) עם נתרן; שיטה הידועה כיום כתהליך האנטר.

עם זאת, ייצור מסחרי לא היה אפשרי עד שנות ה-30, כאשר וויליאם ג'סטין קרול הוכיח שניתן להשתמש במגנזיום גם להפחתת טיטניום מכלוריד. תהליך הקרול נותר שיטת הייצור המסחרית הנפוצה ביותר כיום.

השימוש העיקרי הראשון של טיטניום היה במטוסים צבאיים לאחר שפותחה שיטת ייצור חסכונית. ברית המועצות וארצות הברית החלו להשתמש בסגסוגות טיטניום במטוסים צבאיים ובצוללות שתוכננו בשנות ה-50 וה-60. בתחילת שנות ה-60, גם יצרני מטוסים מסחריים החלו להשתמש בסגסוגות טיטניום.

מחקר של הרופא השוודי Per-Ingvar Branemark עוד משנות ה-50 הראה שטיטניום אינו גורם לתגובה חיסונית שלילית בגוף האדם, מה שמאפשר למתכת להשתלב בגופנו. זה נקרא אוסאואינטגרציה.

הפקה

טיטניום היא מתכת קלה בשימוש נרחב שייצורה מסתמך בעיקר על שיטת הכלור. בתהליך זה, עפרות טיטניום בדרך כלל מגיבות עם גז כלור וקולה כדי ליצור טיטניום כלוריד, אשר לאחר מכן מופחת לטיטניום מתכתי טהור באמצעות טמפרטורה גבוהה. תהליך ייצור ייחודי ומורכב זה מספק לנו חומר טיטניום חזק וקל משקל כדי להניח את הבסיס ליישומים במגוון תחומים.

למרות שטיטניום הוא היסוד המתכתי הרביעי בשכיחותו בקרום כדור הארץ (אחרי אלומיניום, ברזל ומגנזיום), ייצור מתכת טיטניום רגיש ביותר לזיהום, בעיקר חמצן, ולכן פיתוחו חדש ויקר יחסית.

העפרות העיקריות המשמשות בייצור טיטניום ראשוני הן אילמניט ורוטיל, המהווים כ-90% ו-10% מהייצור בהתאמה.

ייצור תרכיז האילמניט בשנת 2015 היה קרוב ל-10 מיליון טון, אם כי רק חלק קטן (כ-5%) מתרכיז האילמניט המיוצר מדי שנה הופך בסופו של דבר למתכת טיטניום. במקום זאת, רובם משמשים לייצור טיטניום דו חמצני (TiO 2), פיגמנט הלבנה המשמש בצבעים, מזון, תרופות וקוסמטיקה.

בשלב הראשון של תהליך קרול, עפרות טיטניום נמחצות ומחוממות עם פחם קוקינג באווירת כלור לייצור טיטניום טטרכלוריד (TiCl 4 ). לאחר מכן הכלוריד נלכד ומועבר דרך מעבה, ומייצר נוזל טיטניום כלוריד בטוהר של עד 99%.

לאחר מכן הטיטניום טטרכלוריד מוזן ישירות לתוך הכלי המכיל מגנזיום מותך. כדי למנוע זיהום חמצן, הפוך אותו לאינרטי על ידי הוספת ארגון.

The subsequent distillation process can take several days, during which the vessel is heated to 1832 degree F (1000 degree ). Magnesium reacts with titanium chloride, stripping off the chloride and producing elemental titanium and magnesium chloride.

הטיטניום הסיבי שנוצר נקרא טיטניום ספוג. לייצור סגסוגות טיטניום ומטילי טיטניום בטוהר גבוה, ניתן להשתמש באלומת אלקטרונים, בקשת פלזמה או בהמסת קשת ואקום להמסת ספוג טיטניום עם אלמנטים שונים של סגסוגת.

להשתמש

היישום של מתכת טיטניום בתחום מוצרי הספורט בא לידי ביטוי בעיקר באופניים יוקרתיים, באלות גולף, מחבטי טניס וציוד אחר. התכונות הקלות של מתכת טיטניום הופכות את ציוד הספורט לגמיש ונוח יותר, ומשפרות את הרמה התחרותית של ספורטאים.

מתכת טיטניום נמצאת בשימוש נרחב בתעופה וחלל, תעשיית הרכב, ציוד רפואי, תעשייה כימית, אלקטרוניקה ומוצרי ספורט ותחומים אחרים. עם הפיתוח וההתקדמות המתמשכת של המדע והטכנולוגיה ושיפור הטכנולוגיה, תחומי היישום של מתכת טיטניום ימשיכו להתרחב. התכונות המצוינות והרבגוניות של מתכת הטיטניום הופכות אותה לחלק הכרחי מחומרי הנדסה מודרניים.

 

〔ציטוט〕בל, טרנס. "מאפיינים ומאפיינים של טיטניום." ThoughtCo, 4 באפריל 2023, thoughtco.com/metal-profile-titanium-2340158.