Sifat kimia dan fizikal titanium

Titanium ialah logam tahan api yang kuat dan ringan. Aloi titanium adalah penting untuk industri aeroangkasa dan juga digunakan dalam perkakasan perubatan, kimia dan ketenteraan serta peralatan sukan.

Aplikasi aeroangkasa menyumbang 80% daripada penggunaan titanium, manakala 20% daripada logam digunakan dalam perisai, perkakasan perubatan dan produk pengguna.

Sifat titanium

Apabila bercakap tentang sifat titanium, kita tidak boleh mengabaikan sifat fizikalnya yang unik. Titanium ialah logam ringan dengan ketumpatan 4.5 gram setiap sentimeter padu, memberikan kekuatan yang sangat baik. Imbangan nisbah kekuatan-ke-berat ini menjadikan titanium sebagai bahan perancah dalam bidang aeroangkasa dan menggalakkan pembangunan pesawat moden.

Simbol atom: Ti

Nombor atom: 22

Kategori Unsur: Logam Peralihan

Ketumpatan: 4.506/sm 3

Takat lebur: 3038 darjah F (1670 darjah )

Takat didih: 5949 darjah F (3287 darjah )

Kekerasan Mohs: 6

ciri

Aloi yang mengandungi titanium terkenal dengan kekuatan tinggi, ringan, dan rintangan kakisan yang sangat baik. Walaupun titanium sekuat keluli, ia adalah kira-kira 40% lebih ringan.

Ini, ditambah pula dengan rintangannya terhadap peronggaan (perubahan tekanan pantas yang menyebabkan gelombang kejutan yang melemahkan atau merosakkan logam dari semasa ke semasa) dan hakisan, menjadikannya logam struktur penting untuk jurutera aeroangkasa.

Titanium juga sangat tahan terhadap kakisan oleh air dan media kimia. Rintangan ini disebabkan oleh pembentukan lapisan nipis titanium dioksida (TiO 2 ) pada permukaannya, menjadikan bahan-bahan ini amat sukar untuk ditembusi.

Titanium mempunyai modulus keanjalan yang lebih rendah. Ini bermakna titanium sangat fleksibel dan boleh kembali kepada bentuk asal selepas dibengkokkan. Aloi ingatan (aloi yang berubah bentuk apabila sejuk tetapi kembali kepada bentuk asalnya apabila dipanaskan) adalah penting untuk banyak aplikasi moden.

Titanium bukan magnetik dan biokompatibel (tidak toksik, tidak alahan), yang telah menyebabkan penggunaannya semakin meningkat dalam bidang perubatan.

sejarah

Untuk memahami kepentingan industri titanium, kita perlu melihat kembali sejarahnya. Penemuan titanium bermula pada abad ke-18, tetapi bentuk pemusnahnya tidak berjaya diasingkan sehingga abad ke-20. Dalam beberapa dekad yang lalu, titanium secara beransur-ansur menjadi terkenal dan menjadi tunjang utama sains dan teknologi. Dengan kebangkitan industri penerbangan, aloi titanium telah menjadi pilihan ideal untuk struktur pesawat. Sifatnya yang ringan dan berkekuatan tinggi menjadikan pesawat bukan sahaja lebih cekap tenaga, tetapi juga lebih selamat.

Penggunaan titanium, dalam apa jua bentuk, hanya benar-benar berkembang selepas Perang Dunia II. Malah, titanium tidak diasingkan sebagai logam sehingga 1910 apabila ahli kimia Amerika Matthew Hunter menghasilkan titanium dengan mengurangkan titanium tetraklorida (TiCl 4 ) dengan natrium; kaedah yang kini dikenali sebagai proses Hunter.

Walau bagaimanapun, pengeluaran komersial tidak dapat dilakukan sehingga tahun 1930-an apabila William Justin Kroll menunjukkan bahawa magnesium juga boleh digunakan untuk mengurangkan titanium daripada klorida. Proses Kroll kekal sebagai kaedah pengeluaran komersil yang paling biasa digunakan hari ini.

Penggunaan utama pertama Titanium adalah dalam pesawat tentera selepas kaedah pengeluaran kos efektif dibangunkan. Kesatuan Soviet dan Amerika Syarikat mula menggunakan aloi titanium dalam pesawat tentera dan kapal selam yang direka pada tahun 1950-an dan 1960-an. Menjelang awal 1960-an, pengeluar pesawat komersial juga mula menggunakan aloi titanium.

Penyelidikan oleh doktor Sweden Per-Ingvar Branemark sejak tahun 1950-an menunjukkan bahawa titanium tidak mencetuskan tindak balas imun negatif dalam tubuh manusia, membolehkan logam itu berintegrasi ke dalam badan kita. Ia dipanggil osseointegration.

Pengeluaran

Titanium adalah logam ringan yang digunakan secara meluas yang pengeluarannya bergantung pada kaedah pengklorinan. Dalam proses ini, bijih titanium biasanya bertindak balas dengan gas klorin dan kok untuk menghasilkan titanium klorida, yang kemudiannya dikurangkan kepada titanium logam tulen melalui suhu tinggi. Proses pengeluaran yang unik dan kompleks ini memberikan kami bahan titanium yang kuat dan ringan untuk meletakkan asas bagi aplikasi dalam pelbagai bidang.

Walaupun titanium adalah unsur logam keempat paling biasa dalam kerak bumi (selepas aluminium, besi dan magnesium), pengeluaran logam titanium sangat sensitif terhadap pencemaran, terutamanya oksigen, itulah sebabnya pembangunannya agak baru dan mahal.

Bijih utama yang digunakan dalam pengeluaran titanium primer ialah ilmenit dan rutil, masing-masing menyumbang kira-kira 90% dan 10% daripada pengeluaran.

Pengeluaran pekat ilmenit pada tahun 2015 adalah hampir 10 juta tan, walaupun hanya sebahagian kecil (kira-kira 5%) daripada pekat ilmenit yang dihasilkan setiap tahun akhirnya ditukar kepada logam titanium. Sebaliknya, kebanyakannya digunakan untuk menghasilkan titanium dioksida (TiO 2 ), pigmen pemutih yang digunakan dalam cat, makanan, farmaseutikal dan kosmetik.

Dalam langkah pertama proses Kroll, bijih titanium dihancurkan dan dipanaskan dengan arang kok dalam suasana klorin untuk menghasilkan titanium tetraklorida (TiCl 4 ). Klorida kemudiannya ditangkap dan melalui pemeluwap, menghasilkan cecair titanium klorida dengan ketulenan sehingga 99%.

Titanium tetraklorida kemudiannya dimasukkan terus ke dalam bekas yang mengandungi magnesium cair. Untuk mengelakkan pencemaran oksigen, jadikan ia lengai dengan menambah argon.

Proses penyulingan seterusnya boleh mengambil masa beberapa hari, di mana kapal dipanaskan hingga 1832 darjah F (1000 darjah ). Magnesium bertindak balas dengan titanium klorida, menanggalkan klorida dan menghasilkan unsur titanium dan magnesium klorida.

Titanium gentian yang terhasil dipanggil titanium span. Untuk menghasilkan aloi titanium dan jongkong titanium ketulenan tinggi, rasuk elektron, arka plasma atau lebur arka vakum boleh digunakan untuk mencairkan span titanium dengan pelbagai unsur pengaloian.

guna

Penggunaan logam titanium dalam bidang barangan sukan terutamanya dicerminkan dalam basikal mewah, kelab golf, raket tenis dan peralatan lain. Sifat ringan logam titanium menjadikan peralatan sukan lebih fleksibel dan selesa, meningkatkan tahap daya saing atlet.

Logam titanium digunakan secara meluas dalam aeroangkasa, industri automotif, peralatan perubatan, industri kimia, elektronik dan barangan sukan dan bidang lain. Dengan perkembangan berterusan dan kemajuan sains dan teknologi serta peningkatan teknologi, bidang aplikasi logam titanium akan terus berkembang. Ciri-ciri yang sangat baik dan serba boleh logam titanium menjadikannya bahagian yang sangat diperlukan dalam bahan kejuruteraan moden.

 

〔Petikan〕Bell, Terence. "Sifat dan Sifat Titanium." ThoughtCo, 4 April 2023, thoughtco.com/metal-profile-titanium-2340158.