Titan

Iso	ROK	Doba	MD	Vyd	PD
Iso	ROK	Doba	MD	MeV	PD
44 Ti	{syn.}	63 let	ε	0,268	44 Sc
46 Ti	8,0 %	stabilní s 24 neutrony
47 Ti	7,3 %	stabilní s 25 neutrony
48 Ti	73,8 %	stabilní s 26 neutrony
49 Ti	5,5 %	stabilní s 27 neutrony
50 Ti	5,4 %	stabilní s 28 neutrony

Jednoduché fyzikální vlastnosti těla

Obyčejný stav

Pevný

Allotropic ve standardním stavu

Α titan ( kompaktní šestihranný )

Ostatní alotropi

Titan β ( centrovaný kubický )

Objemová hmotnost

4,51 g · cm -3

Krystalový systém

Šestihranný kompaktní

Tvrdost

Barva

Stříbřitě bílá

1668 ° C

3287 ° C

15,45 kJ · mol -1

421 kJ · mol -1

10,64 × 10-6 m 3 · mol -1

Tlak páry

0,49 Pa při 1659,85 ° C

Rychlost zvuku

5990 m · s -1 až 20 ° C

Masivní teplo

520 J · kg -1 · K -1

rovnice: $C_ {P} = (22,61942) + (18,98795) \ krát 10 ^ {- 3} T + (-18,18735) \ krát 10 ^ {- 6} T ^ 2 + (7,080792) \ krát 10 ^ {- 9} T ^ 3 + \ frac {(- 0,143457) \ krát 10 ^ 6} {T ^ 2}$
Tepelná kapacita pevné látky (fáze α) v J · mol -1 · K -1 a teplota v Kelvinech, od 298 do 700 K.
Vypočtené hodnoty:
25,24 J · mol -1 · K -1 při 25 ° C

T (K)	T (° C)	C str $(\ tfrac {J} {mol \ krát K})$	C str $(\ tfrac {J} {g \ krát K})$
298	24,85	25.23	0,5272
324,8	51,65	25.75	0,538
338.2	65.05	25,98	0,5428
351,6	78,45	26,19	0,5472
365	91,85	26,39	0,5514
378,4	105,25	26,58	0,5553
391,8	118,65	26,76	0,559
405,2	132,05	26,92	0,5625
418.6	145,45	27.08	0,5658
432	158,85	27.23	0,5689
445,4	172,25	27,37	0,5718
458,8	185,65	27,51	0,5746
472,2	199,05	27,63	0,5773
485,6	212,45	27,75	0,5798
499	225,85	27,87	0,5822

T (K)	T (° C)	C str $(\ tfrac {J} {mol \ krát K})$	C str $(\ tfrac {J} {g \ krát K})$
299,68	26,53	25.27	0,5279
299,58	26,43	25.27	0,5279
299,49	26,34	25.27	0,5278
552,6	279,45	28,28	0,5909
566	292,85	28,38	0,5928
579,4	306,25	28,47	0,5947
592,8	319,65	28,55	0,5965
606,2	333,05	28,63	0,5982
619,6	346,45	28,71	0,5998
633	359,85	28,79	0,6014
646,4	373,25	28,86	0,603
659,8	386,65	28,93	0,6045
673,2	400,05	29	0,6059
686,6	413,45	29.07	0,6073
700	426,85	29,14	0,6087

rovnice: $C_ {P} = (44,37174) + (-44,09225) \ krát 10 ^ {- 3} T + (31,70602) \ krát 10 ^ {- 6} T ^ 2 + (0,052209) \ krát 10 ^ {- 9} T ^ 3 + \ frac {(0,036168) \ krát 10 ^ 6} {T ^ 2}$
Tepelná kapacita pevné látky (fáze α) v J mol -1 K -1 a teplota v Kelvinech od 700 do 1700 K.
Vypočtené hodnoty:

T (K)	T (° C)	C str $(\ tfrac {J} {mol \ krát K})$	C str $(\ tfrac {J} {g \ krát K})$
700	426,85	29,13	0,6087
766,67	493,52	29,29	0,6119
800	526,85	29,47	0,6157
833,33	560,18	29,73	0,6211
866,67	593,52	30.06	0,6279
900	626,85	30,45	0,6362
933,33	660,18	30,92	0,646
966,67	693,52	31,46	0,6573
1000	726,85	32.07	0,6701
1033,33	760,18	32,76	0,6843
1 066,67	793,52	33,51	0,7001
1100	826,85	34,33	0,7173
1,133.33	860,18	35,23	0,736
1,166.67	893,52	36.2	0,7562
1200	926,85	37,23	0,7778

T (K)	T (° C)	C str $(\ tfrac {J} {mol \ krát K})$	C str $(\ tfrac {J} {g \ krát K})$
704,17	431,02	29,14	0,6087
703,92	430,77	29,14	0,6087
703,7	430,55	29,14	0,6087
1333,33	1060,18	42,09	0,8794
1366,67	1 093,52	43,48	0,9084
1400	1126,85	44,95	0,939
1433,33	1160,18	46,48	0,9711
1466,67	1193,52	48,09	1,0046
1 500	1 226,85	49,76	1,0396
1533,33	1260,18	51,51	1,0761
1566,67	1293,52	53,33	1.1141
1600	1326,85	55,22	1,1536
1,633,33	1360,18	57,18	1. 1946
1 666,67	1393,52	59,21	1237
1700	1426,85	61,31	1,2809

rovnice: $C_ {P} = (23,05660) + (5,541331) \ krát 10 ^ {- 3} T + (-2,055881) \ krát 10 ^ {- 6} T ^ 2 + (1,611745) \ krát 10 ^ {- 9} T ^ 3 + \ frac {(- 0,056075) \ krát 10 ^ 6} {T ^ 2}$
Tepelná kapacita pevné látky (β fáze) v J · mol -1 · K -1 a teplota v Kelvinech, od 298 do 1 939 K.
Vypočtené hodnoty:
23,94 J · mol -1 · K -1 při 25 ° C

T (K)	T (° C)	C str $(\ tfrac {J} {mol \ krát K})$	C str $(\ tfrac {J} {g \ krát K})$
298	24,85	23,94	0,5001
407,4	134,25	24,74	0,5169
462,1	188,95	25.07	0,5238
516.8	243,65	25,38	0,5303
571,5	298,35	25,68	0,5365
626,2	353,05	25,97	0,5426
680,9	407,75	26,26	0,5487
735.6	462,45	26.56	0,5548
790,3	517,15	26,86	0,5611
845	571,85	27.16	0,5675
899,7	626,55	27,48	0,5741
954,4	681,25	27,81	0,581
1009,1	735,95	28,16	0,5882
1063.8	790,65	28,52	0,5957
1118,5	845,35	28,89	0,6036

T (K)	T (° C)	C str $(\ tfrac {J} {mol \ krát K})$	C str $(\ tfrac {J} {g \ krát K})$
304,84	31,69	24	0,5013
304,44	31,29	23,99	0,5013
304,08	30,93	23,99	0,5012
1337,3	1064,15	30.61	0,6396
1392	1118,85	31.1	0,6498
1446.7	1173,55	31,62	0,6607
1501,4	1228,25	32,17	0,6721
1556,1	1282,95	32,75	0,6842
1610.8	1337,65	33,36	0,697
1665,5	1392,35	34.01	0,7105
1720.2	1447,05	34,69	0,7247
1774,9	1501,75	35,41	0,7397
1829,6	1556,45	36,17	0,7556
1884,3	1,611,15	36,97	0,7723
1939	1665,85	37,81	0,7898

47,23694 J · mol -1 · K -1 (kapalina 1939 až 3 630,956 ° C )

rovnice: $C_ {P} = (9,2774255) + (6,092113) \ krát 10 ^ {- 3} T + (0,577095) \ krát 10 ^ {- 6} T ^ 2 + (-0,110364) \ krát 10 ^ {- 9} T ^ 3 + \ frac {(6,504405) \ krát 10 ^ 6} {T ^ 2}$
Tepelná kapacita plynu v J mol -1 K -1 a teplota v Kelvinech, od 3 630 956 do 6 000 K.
Vypočtené hodnoty:

T (K)	T (° C)	C str $(\ tfrac {J} {mol \ krát K})$	C str $(\ tfrac {J} {g \ krát K})$
3 630 956	3 357,81	34,21	0,7148
3 788,89	3,515,74	35,09	0,7331
3 867,86	3594,71	35,52	0,7421
3 946,83	3 673,68	35,94	0,7508
4025,8	3 752,65	36,35	0,7595
4 104,76	3,831.61	36,76	0,7679
4 183,73	3 910,58	37,15	0,7762
4 262,7	3 989,55	37,54	0,7842
4 341,67	4068,52	37,92	0,7921
4 420,64	4 147,49	38,28	0,7997
4 499,61	4 226,46	38,64	0,8072
4,578,57	4 305,42	38,98	0,8144
4 657,54	4 384,39	39,32	0,8214
4 736,51	4 463,36	39,64	0,8281
4 815,48	4,542,33	39,95	0,8346

T (K)	T (° C)	C str $(\ tfrac {J} {mol \ krát K})$	C str $(\ tfrac {J} {g \ krát K})$
3 640,83	3 367,68	34,27	0,7159
3640,25	3367,1	34,27	0,7158
3 639,73	3 366,58	34,26	0,7158
5 131,35	4 858,2	41,07	0,8579
5 210,32	4 937,17	41,31	0,8631
5 289,29	5,016,14	41,54	0,8679
5 368,25	5 095,1	41,76	0,8724
5 447,22	5 174,07	41,96	0,8767
5 526,19	5 253,04	42,15	0,8806
5 605,16	5 332,01	42,32	0,8842
5 684,13	5,410,98	42,48	0,8875
5 763,1	5 489,95	42,62	0,8904
5 842,06	5568,91	42,75	0,893
5 921,03	5 647,88	42,85	0,8953
6000	5,726,85	42,94	0,8972

Elektrická vodivost

2,34 x 10 6 S · m -1

Tepelná vodivost

21,9 W · m -1 · K -1

Rozpustnost

přízemní. v HCl (pomalu, katalyzováno ionty Pt (IV)),

H 2 SO 4 zředěný (+ 1 až 2 kapky HNO 3 ) koeficient roztažnosti = 8,5 × 10−6 K−

Rozličný

7440-32-6

231-142-3

Opatření

SGH

Nebezpečí H250 , P222 , P231 a P422 H250 : Při kontaktu se vzduchem se samovolně vznítí
P222 : Zabraňte kontaktu se vzduchem.
P231 : Zacházejte pod inertním plynem.
P422 : Ukládat obsah pod ...

Jednotky SI & STP, pokud není uvedeno jinak.

Titanu je chemický prvek ze atomovým číslem 22, Ti symbol. Titanová varianta , i když je francouzsky doložena od roku 1872, je považována za nesprávný anglicismus .

Titan patří do skupiny 4 periodické tabulky ( skupina titanu ) se zirkonem (Zr), hafnium (Hf) a rutherfordium (Rf), jedná se o přechodný kov . Tento prvek se nachází v mnoha minerálech, ale jeho hlavními zdroji jsou rutil a anatáza .

Čistého titanu tělo je lehká, pevná kovová s kovovým bílý vzhled, který je odolný vůči korozi. Používá se hlavně v lehkých a silných slitinách a jeho oxid se používá jako bílý pigment . Průmyslově zajímavými vlastnostmi titanu jsou jeho odolnost proti korozi, často spojená s odolností proti erozi a ohni, biokompatibilita, ale také jeho mechanické vlastnosti (pevnost, tažnost , únava atd.), Které umožňují zejména tvarování tenkých a lehkých dílů jako jsou sportovní předměty, ale také ortopedické protézy .

Příběh

Titan byl objeven reverendem Williamem Gregorem v roce 1791, britským mineralogem a duchovním. Analýzou písků z řeky Helford v údolí Menachan v Cornwallu izoloval to, co nazýval černý písek , dnes známý jako Ilmenite . Po několika fyzikálně-chemických manipulacích (extrakce železa magnetickými procesy a zpracování zbytku kyselinou chlorovodíkovou) vznikl nečistý oxid neznámého kovu. Tento oxid pojmenoval menachanit . Bez ohledu na tento objev, v roce 1795, Martin Heinrich Klaproth , profesor analytické chemie na univerzitě v Berlíně, identifikoval stejný kov. Když analyzoval vlastnosti červeného schörlitu , nyní známého jako rutil , dospěl k závěru, že ruda obsahuje neznámý kov totožný s Gregorovým. Dal mu jeho současný název „Titan“, převzatý z řecké mytologie , podle Titánů , zcela ignoroval jeho fyzikálně-chemické vlastnosti. Byl to Berzelius, kdo ji izoloval v roce 1825.

Až více než sto let po Gregorově objevu byl americký Matthew Albert Hunter , výzkumný pracovník Rensselaer Polytechnic Institute v Troy (New York), schopen v roce 1910 vyrobit 99% čistého titanu. Po prvních výlovech titanu Hunterem nenásledoval ani nejmenší průmyslový rozvoj.

V roce 1939 průmyslový výrobní proces byl nakonec vyvinut Wilhelm Justin Kroll , lucemburské metallurgist a chemik, poradce v Union Carbide Research Laboratory v Niagara Falls (New York), podle redukcí chloridu titaničitého 4 s hořčíkem .

Fyzikální vlastnosti

Základní fyzikální vlastnosti

Pozoruhodné fyzikální vlastnosti titanu:

jeho hustota je asi 60% hustoty oceli;
jeho odolnost proti korozi je výjimečná v mnoha prostředích, jako je mořská voda nebo lidský organismus;
jeho mechanické vlastnosti zůstávají vysoké až do teploty přibližně 600 ° C a zůstávají vynikající až do kryogenních teplot;
je k dispozici v nejrůznějších formách a typech výrobků: ingoty, sochory, tyče, dráty, trubky, desky, plechy, pásy;
magnetickým hodnota citlivost (08.1.-03.2. x 10 -4 ) je mnohem nižší než u železa (3 x 10 5 ). Jedná se tedy o výhodný materiál v případě diagnózy pomocí MRI: redukce artefaktů;
jeho koeficient roztažnosti, mírně nižší než u oceli, je poloviční než u hliníku . Jedna bude pro střední hodnotu koeficientu roztažnosti 8,5 x 10 -6 K -1 ;
jeho Youngův modul nebo podélný modul pružnosti je mezi 100 000 a 110 000 MPa . Tato relativně nízká hodnota ve srovnání s nerezovou ocelí ( 220 000 MPa ) z něj činí zvláště zajímavý materiál pro svou biokompatibilitu .

Krystalografické vlastnosti

Čistý titan je sídlem z alotropní transformace z martenzitické v blízkosti 882 ° C . Pod touto teplotou je struktura hexagonální pseudokompaktní ( a = 0,295 nm , c = 0,468 nm , c / a = 1,587) a α se nazývá Ti ( prostorová skupina n o 194 P6 3 / mmc). Nad touto teplotou je struktura centrována v kubických ( a = 0,332 nm ) a nazývá se Ti β. Teplota přechodu α → β se nazývá transus β. Přesná teplota transformace je do značné míry ovlivněna substitučními a intersticiálními prvky. To tedy silně závisí na čistotě kovu.

Titan se v přírodě vyskytuje ve formě 5 izotopů: 46 Ti, 47 Ti, 48 Ti, 49 Ti, 50 Ti. 48 Ti představuje izotop většinu s přirozeným výskytem 73,8%. Bylo pozorováno 21 radioizotopů, nejstabilnější 44 Ti má poločas 63 let.

Oxidy

Titan lze nalézt v několika oxidačních stavech, jako mnoho přechodných kovů. Má tedy několik oxidů odpovídajících těmto stupňům oxidace:

Oxid titaničitý TiO - Ti (II)
Oxid titaničitý Ti 2 O 3 - Ti (III)
Oxid titaničitý TiO 2 - Ti (IV)
Oxid titaničitý TiO 3 - Ti (VI)

Mechanické vlastnosti

Eroze

Velmi přilnavá a tvrdá vrstva oxidu vysvětluje životnost titanových dílů vystavených nárazům částic v suspenzi v kapalinách. Tento efekt je umocněn schopností této vrstvy regenerovat se. Eroze v mořské vodě se zvyšuje vyšším průtokem nebo menší velikostí zrna.

Síla a tažnost

Titan je považován za kov s vysokou mechanickou pevností a dobrou tažností za normálních teplotních podmínek. Jeho specifický odpor (poměr pevnosti v tahu / hustoty) je například vyšší než u hliníku nebo oceli. Jeho odpor klesá s teplotou s římsou mezi -25 ° C a 400 ° C . Pod -50 ° C v kryogenních teplotních rozsazích jeho pevnost stoupá a jeho tažnost značně klesá.

Noste a zabavte se

Dosud nebylo vyvinuto žádné uspokojivé řešení. Vyzkoušeli jsme hlavně oxidaci, nitridaci , boridaci a nauhličování. Setkáváme se s mnoha technologickými obtížemi výroby a přilnavosti. Dodejme, že povrchové úpravy titanu, které ovlivňují povahu nebo strukturu povrchu, by měly být používány pouze s největší opatrností a po důkladném studiu jejich vlivu; obecně mají více či méně výrazný škodlivý účinek na odolnost a únavu.

Biokompatibilita

Titan je jedním ze biologicky nejkompatibilnějších kovů spolu se zlatem a platinou , to znamená, že je zcela odolný vůči tělesným tekutinám.

Kromě toho má vysokou mechanickou pevnost a velmi nízký modul pružnosti ( 100 000 MPa až 110 000 MPa ), blíže kostním strukturám ( 20 000 MPa ) než nerezová ocel ( 220 000 MPa ). Tato pružnost, která podporuje přestavbu kostí tím, že nutí kosti pracovat (prevence stínění stresu nebo periimplantátová osteoporóza) činí z titanu obzvláště zajímavý biomateriál. Je však třeba poznamenat, že nadměrná pružnost může také narušit funkci biomateriálu, který by prošel nepřijatelnou deformací.

Ohnivzdornost

Jeho odolnost vůči ohni, zejména vůči uhlovodíkům, je velmi dobrá. Bylo prokázáno, že trubice 2 mm v tloušťce mohl bez poškození nebo nebezpečí deformace nebo výbuchu odolávat tlaku deseti atmosfér, přičemž je vystaven uhlovodíkové požáru při teplotě 600 ° C . To je způsobeno především odolností oxidové vrstvy, která brání průniku vodíku do materiálu. Nízká tepelná vodivost titanu navíc chrání vnitřní součásti před zvýšením teploty po delší dobu.

Chemické vlastnosti

Klasická titanová koroze

Titan je extrémně oxidovatelný kov. V sérii standardních elektrochemických potenciálů je umístěn v blízkosti hliníku, mezi hořčíkem a zinkem. Nejedná se tedy o ušlechtilý kov , jeho doména termodynamické stability ve skutečnosti nepředstavuje žádnou společnou část s doménou termodynamické stability vody a nachází se značně pod druhou doménou. Jednou z příčin korozní odolnosti titanu je vývoj pasivační ochrannou vrstvou z několika zlomcích mikrometru, který se skládá hlavně z TiO 2 oxidu., ale je známo, že může obsahovat i jiné odrůdy. Tato vrstva je integrální a velmi přilnavá. Pokud je povrch poškrábaný, oxid se spontánně reformuje v přítomnosti vzduchu nebo vody. Titan je proto ve vzduchu , vodě a mořské vodě nezměnitelný. Navíc je tato vrstva stabilní v širokém rozsahu pH , potenciálu a teploty.

Velmi redukční podmínky nebo velmi oxidující prostředí nebo přítomnost iontů fluoru (komplexační činidlo) snižují ochranný charakter této oxidové vrstvy; útočná činidla pro zachycení mikrofotografií jsou nejčastěji založena na kyselině fluorovodíkové. Během reakce s touto kyselinou dochází k tvorbě titanového kationtu (II) a (III). Reaktivitu kyselých roztoků lze nicméně snížit přidáním oxidačních činidel a / nebo iontů těžkých kovů. Kyselina chromová nebo dusičná a soli železa, niklu, mědi nebo chrómu jsou potom vynikajícími inhibičními činidly. To vysvětluje, proč lze titan použít v průmyslových procesech a prostředích, kde by konvenční materiály korodovaly.

Je samozřejmě možné upravit elektrochemické rovnováhy přidáním adičních prvků, které snižují anodickou aktivitu titanu; to vede ke zlepšení odolnosti proti korozi. Podle desiderata úprav jsou přidány konkrétní prvky. Níže je uveden neúplný seznam některých klasických adjuvans:

posunutí korozního potenciálu a zesílení katodového charakteru : přidání platiny , palladia nebo rhodia ;
zvýšená termodynamická stabilita a snížený sklon k anodickému rozpouštění: přidání niklu , molybdenu nebo wolframu ;
zvýšená tendence k pasivaci: přidání zirkonia , tantalu , chrómu nebo molybdenu .

Tyto tři metody lze kombinovat.

Specifická koroze titanu

Titan není příliš citlivý na konkrétní způsoby koroze, jako je štěrbinová koroze nebo důlková koroze. Tyto jevy jsou pozorovány pouze při použití v poli blízkém praktickému limitu pro obecnou odolnost proti korozi. Rizika napěťové koroze se objevují za následujících podmínek:

chlad v mořské vodě (pouze v případě ostrých řezů);
v určitých konkrétních médiích, jako je bezvodý methanol;
horké, v přítomnosti roztaveného NaCl.

Tyto dvě alotropické struktury se liší, pokud jde o odolnost vůči druhému druhu koroze; titan α je na něj velmi citlivý, zatímco β těžko.

Čištění titanu

Proces Van-Arkel-de-Boer

Tento proces slouží k izolaci titanu nebo zirkonia reverzibilní tvorbou těkavého jodidu a depozicí kovu pyrolýzou na wolframové vlákno .

Krollov proces

Tento proces umožňuje redukovat oxid titaničitý na titan hořčíkem . První krok spočívá v provedení karbochlorace na oxidu titaničitém . Produkt se získává působením plynného chloru na oxid při teplotě přibližně 800 ° C , vše na fluidním loži podle reakce:

TiO 2 (s) + 2 C (s) + 2 Cl2 (g) → TiCl4 (g) + 2 CO (g)

Chlorid titaničitý , jehož teplota varu je 136 ° C , se získá kondenzací, dekantuje, filtruje se a čistí frakční destilací. Výsledný redukční proces pak spočívá v reakci tohoto tetrachloridu v plynné fázi s kapalným hořčíkem podle reakce:

TiCl4 (g) + 2 Mg (l) → 2MgCl2 (l) + Ti (s)

Reakce se provádí ve vakuu nebo pod inertním plynem (argon). Chloridu hořečnatého se oddělí dekantací , načež se ve druhém stupni pomocí vakuové destilace při teplotě kolem 900 , aby 950 ° C , nebo pomocí promytí kyselinou . Získaný titan je porézní pevná látka připomínající houbu , proto se nazývá titanová houba.

Od zahájení svého průmyslového provozu v roce 1945 proces Kroll neprošel žádnou významnou změnou ve svém fyzikálně-chemickém principu, ale jeho výkon se zlepšil.

Výroba vysoce čistého titanu

Jakmile je houba získána, je rozemletá na titanové třísky. Tato vsázka se poté homogenizuje v mixéru buď pod neutrálním plynem, nebo pod prudkým sáním, aby se zabránilo jakémukoli vznícení jemných částic titanu (částice přibližně sto mikrometrů), které by mohlo vést k tvorbě oslabujícího a nerozpustného oxynitridu titanu . kapalná lázeň . Homogenní dávka se poté zavádí do formy lisu, kde se lisuje za studena, ve formě hustého válce zvaného kompaktní. Relativní hustota kompaktu pak umožňuje jakoukoli manipulaci s ohledem na vytvoření elektrody stohováním těchto kompaktů, krok za krokem, a svařováním dohromady plazmovým nebo elektronovým paprskem . Je tak vyrobena primární elektroda.

99,9% čistý titan ingot může být nakonec získán různými technikami tání:

vakuové tavení spotřební elektrodou nebo VAR ( Vacuum Arc Reduction (en) ): titanové elektrody jsou roztaveny přetavením ve vakuovém oblouku. To představuje vytvoření elektrického oblouku s nízkým napětím a vysokou intenzitou (30 až 40 V ; 20 000 až 40 000 A ) mezi dnem elektrody a titanovým kelímkem ve mědi chlazeném vodou. Dno elektrody se zahřívá a její teplota stoupá nad likvidum; kovové kapičky pak spadnou do kapalinové studny obsažené v kovovém plášti zvaném kůže ingotu. Ingot se tak několikrát přetavuje podle požadované čistoty. Při každém přetavení se zvětší průměr ingotů; tyto druhy obvykle váží mezi 1 a 10 tunami a mají průměr 0,5 až 1 metr.
tání za studena pomocí elektronového paprsku nebo EB ( Electron Beam )
fúze za studena plazmatickým paprskem nebo PAM (Plasma Arc Melting)
indukční tavení nebo ISM (Induction Skull Melting).

Pro výrobu čistého titanového ingotu může být roztaveným materiálem buď výlučně houba, nebo směs houby a titanového odpadu (šrotu), nebo výlučně titanového odpadu. Ingoty ze slitiny titanu se získají smícháním přísadových prvků, jako je vanad a hliník, s titanovým materiálem, aby se po roztavení získala požadovaná slitina. Nejběžněji používanou slitinou je TiAl 6 V 4. Samotný představuje více než polovinu používání titanových slitin na světě.

V závislosti na použitých technikách tavení a v závislosti na potřebách, pokud jde o homogenitu získaných produktů, může výrobní cyklus zahrnovat dvě nebo dokonce tři po sobě jdoucí taveniny stejného ingotu.

Ingoty se obecně transformují kováním za tepla a obráběním, aby se získaly polotovary ve formě desek , kvádrů nebo sochorů . Poté se hotové výrobky (plechy, svitky, tyče, desky, kabely atd.) Získávají různými fázemi transformace válcování , kování , vytlačování , obrábění atd. Slévárenské díly se obvykle vyrábějí přímo z tavného ingotu, do kterého se přidává proměnlivý podíl šrotu.

Sloučeniny

Ačkoli je kovový titan kvůli své ceně poměrně vzácný, oxid titaničitý je levný a široce se používá jako bílý pigment pro barvy a plasty . Prášek TiO 2 je chemicky inertní, odolává slunečnímu záření a je velmi neprůhledný. Čistý oxid titaničitý má velmi vysoký index lomu (2,70 při λ = 590 nm ) a vyšší optickou disperzi než diamantová .

Preventivní opatření, toxikologie

Pokud je v rozdělené kovové formě, je titan velmi hořlavý, ale soli titanu jsou obecně považovány za bezpečné. Chlorované sloučeniny jako TiCl 4 a TiCl 3 jsou korozivní. Titan se může hromadit v živé tkáni, která obsahuje křemík , ale nemá žádnou známou biologickou roli.

Výskyt a výroba

Titan je nalezený v meteoritech , na slunci a ve hvězdách, její linie jsou dobře značeny pro typ M hvězdy . Horniny přivezené z Měsíce misí Apollo 17 se skládají z 12,1% TiO 2 . Vyskytuje se také v dřevěném uhlí , rostlinách a dokonce i v lidském těle.

Na Zemi není titan vzácnou látkou. Je to devátý nejhojnější prvek v zemské kůře a pátý nejhojnější kov, jeho průměrný obsah je 0,63%. Pouze následující prvky mají více atomů v sestupném pořadí: kyslík , křemík , hliník , železo , vodík , vápník , sodík , hořčík a draslík .

Většina minerálů, hornin a půd obsahuje malé množství titanu. Existuje 87 minerálů nebo hornin obsahujících alespoň 1% titanu. Na druhé straně rud bohatých na titan je velmi málo, jmenovitě anatas (TiO 2 ), brookit (TiO 2 ), ilmenit (FeTiO 3 ) a jeho změny způsobené nedostatkem železa: leukoxen , perovskit (CaTiO 3 ), rutil (TiO 2 ), sfer nebo titanit (CaTiO (SiO 4 )) a titanomagnetit (Fe (Ti) Fe 2 O 4 ).

Většina titanu na Zemi se nachází ve formě anatasu nebo titanomagnetitu, ale nelze je těžit současnými technologiemi nákladově efektivním způsobem. Ekonomicky zajímavé jsou pouze ilmenit, leukoxen a rutil vzhledem k tomu, jak snadno je lze zpracovat.

Vklady titanu se nacházejí na Madagaskaru a v Austrálii , Skandinávii , Severní Americe , Malajsii , Rusku , Číně , Jižní Africe a Indii .

Celková světová rezerva, konkrétně ta, která dosud není technologicky a ekonomicky využitelná, se odhaduje na 2 miliardy tun. Osvědčené zásoby rutilu a ilmenitu, počítané jako procento použitelného a technologicky extrahovatelného TiO 2 v roce 2005, se odhadují na 600 milionů tun.

Zdroj: US Geological Survey ,ledna 2005

Hlavní producenti oxidu titaničitého v roce 2003, údaje za rok 2003 , v tisících tun oxidu titaničitého:

Země	Tisíce tun	% z celkového počtu
Austrálie	1291.0	30.6
Jižní Afrika	850,0	20.1
Kanada	767	18.2
Norsko	382,9	9.1
Ukrajina	357	8.5
Celkem 5 zemí	3647,9	86.4
Celkový svět	4 221,0	100,0

Ekonomické otázky

Počet výrobců vysoce čistého titanu je velmi omezený a koncentruje se v regionech s vysokou domácí poptávkou. Titan, který je strategickým materiálem pro letecký , energetický a vojenský sektor , uspořádal vlády průmyslových zemí svůj vlastní výrobní průmysl. Nedávný vznik výroby v Číně a Indii jako součást víceletých plánů rozvoje obranného průmyslu tuto analýzu potvrzuje. Skutečnost, že toto odvětví je primárně určeno k uspokojování strategických domácích potřeb, částečně vysvětluje neurčitost informací o skutečných výrobních kapacitách.

Rozvoj průmyslu v liberálním světě umožnil západním výrobcům zvýšit jejich dodávky až do příchodu výrobců ze zemí bývalého SSSR. Můžeme za to, že úroveň cen na trhu, před rokem 1990, byl založen především na výrobní náklady západních zemí ( Spojené státy , západní Evropa, Japonsko ) a na umístění vedlejším produktem specializaci těchto výsledných dodavatelů. Do jisté lobbingu . Příchod ruských, ukrajinských a z dlouhodobého hlediska čínských výrobců na trh znamená nové etapy vývoje trhu s titanem .

Existuje tedy tlak na ceny, aby získaly podíl na trhu, kterému v současné době dominují USA a Japonsko. Tento tlak je charakterizován poklesem cen, který umožňují výrobní náklady. A prostřednictvím hry konkurence může diverzifikace nabídky pomoci zlomit pozici pomocí specializace na produkt.

Použití

Obecné aspekty

Asi 95% titanu se používá ve formě oxidu titaničitého TiO 2 ( anatase ), což je důležitý pigment používaný jak v barvách pro domácnost, tak v uměleckých pigmentech, plastech, papíru, léčivech ... Má dobrou krycí schopnost a je poměrně odolný vůči čas. Barvy na bázi titanu jsou velmi dobrými infračervenými reflektory , a proto jsou astronomy široce používány .

Jakmile je kovový titan považován za drahý kvůli své pořizovací hodnotě, je stále více považován za ekonomický v provozních nákladech. Klíč k úspěchu jeho ziskovosti spočívá v maximálním využití jeho jedinečných vlastností a charakteristik od fáze návrhu, místo jejich náhlé náhrady za jiný kov. Náklady na instalaci a provoz titanových vrtných trubek v pobřežních ropných polích jsou až dvakrát nižší než v případě ocelového standardu. Opravdu na jedné straně korozní odolnost vylučuje operace potahování trubek a umožňuje životnost třikrát až pětkrát delší než u oceli a na druhé straně vysoká hodnota jeho specifické odolnosti umožňuje výrobu tenkých a ultra světelné trubice. Tento fotografický příklad podle potřeby ukazuje, že titan, původně používaný v leteckém poli, se dotýká stále více segmentů použití.

Letectví a letecký průmysl

Oblasti letectví a kosmonautiky představují první z historických aplikací titanu. V tomto odvětví plně využíváme jeho specifické vlastnosti.

V dnešní době tvoří titan 6 až 9% hmotnosti letadel . Nejprve se vyskytují ve formě výkovků. Pokud jde o odlitky, jejich keramické formy vhodné pro detailní díly (letectví) se získávají procesem ztraceného vosku z ocelových forem nebo z 3D tištěných dílů. Formy na stlačený písek jsou vhodné pro velké části (čerpadla, pistole, jaderný průmysl ...). Odlévání se provádí ve vakuu gravitací nebo, lépe, odstředěním. Existují přímé procesy 3D tisku, počínaje titanovým práškem. Vyrábí se z nich také matice a šrouby. Nezapomeňte na součásti motoru, jmenovitě nízkotlaký a vysokotlaký stupeň při středních teplotách: disky kompresoru, lopatky kompresoru, konstrukční pouzdra, skříň ventilátoru, lopatky ventilátoru, „momentové trubky“ brzdových prvků kol atd .; maximální pracovní teplota je omezena na 600 ° C .

Titan lze formovat za tepla (teplota < 800 ° C ). Jeho vlastnosti superplasticity (teplota tváření 920 ° C ) umožňují získat velmi složité tvary. Používá se také jako konstrukční prvek v přítomnosti uhlíkových kompozitů.

V prostorové oblasti, tento materiál se používá pro prvky motoru Vulcan z Ariane 5 v kontaktu se směsí H 2 / O 2 a jeho spalováním; odstředivé oběžná kola jsou tak vystaveny na kryogenní teploty na jedné straně ( kapalina H 2 teploty ), a pro ty, spalování na straně druhé. Díky dobrým kryogenním vlastnostem a odolnosti vůči korozi hnacího plynu slouží také jako zásobník pohonných plynů pro satelity . Nakonec, protože se jedná o kov slabě vystavený magnetismu, je naložen na vesmírné stanice ve formě nástroje. Dokonce i ti, kteří se v beztížnosti pohybují v blízkosti elektrických a elektronických zařízení, bez rizika vytváření oblouků a elektromagnetického rušení.

Kromě toho se nyní používá k výrobě ploutví z SpaceX je Falcon 9 opakovanému použití nosných raket , jeho vysoká tepelná odolnost umožňuje žebra sloužit vícekrát bez údržby.

Chemický průmysl

Chemický průmysl je v širším slova smyslu druhým sektorem činnosti, kde je přítomen titan.

Proto najdeme titanové trubky v mnoha kondenzátorech, kde jejich odolnost proti korozi a oděru umožňuje dlouhou životnost.

To je také použit ve formě reaktorů v rafineriích (rezistence na H 2 S a CO 2 ) a pro bělení papíroviny (odolnost proti Cl ).

V Japonsku se také používá při úpravě vody kvůli dobré odolnosti proti korozi a biologickým látkám.

Vojenský průmysl

Používá se jako pancéřování (lodě, vozidla, kokpity stíhacích letadel), kde jsou zdůrazněny jeho mechanické vlastnosti a odolnost proti korozi a ohni. Ve Spojených státech jsme dokonce zašli tak daleko, že jsme navrhovali lehká vozidla, jejichž titanová karoserie má bezkonkurenční specifický odpor a usnadňuje přepravu vrtulníkem .

Ale nejpozoruhodnějším z použití je samozřejmě realizace několika jaderných ponorek Rusy, jako je třída Alfa, jejichž celý trup je v titanu. Výhoda titanu je v tomto případě dvojí:

jeho velký odpor umožňuje ponorce dosáhnout větších hloubek;
titan je nemagnetický , ponorka uniká satelitním detekcím, které využívají přesné změny v magnetickém poli Země vytvořené ocelovými trupy. (Tato metoda se stala zastaralou přidáním specializovaných elektronických obvodů, díky nimž je magnetický podpis ponorky nepostřehnutelný).

Titan je tedy považován za jednu z osmi základních strategických surovin v době války i v době míru.

Hlavní nevýhodou těchto skořepin je jejich cena, kvůli titanu a obtížnosti jeho svařování.

Biomedicínský sektor

V současné době má zpětnou vazbu o malém padesáti letech používání v lékařství (první titanové zubní implantáty zavedené v roce 1964 P Dr. Per-Ingvar Brånemark ). Jeho použití se vyvinulo díky svému biokompatibilnímu charakteru. Kosti ve skutečnosti spontánně ulpívají na titanu, což z něj činí preferovaný materiál pro výrobu protéz. Kromě tohoto biokompatibilního aspektu je titan mechanicky kompatibilní. Skutečný zájem o chirurgii a osteosyntézu je však třeba ještě prokázat.

Titan také učinil důležitý průlom v oblasti stomatologie, kde slouží jako implantát do kosti pro podporu protézy i pro výrobu protetických infrastruktur nazývaných v žargonu „copings“ nebo „frames“. Zubní technik a zubař . NiTi se také používá v endodoncii ve formě malých superelastických pilníků používaných k instrumentaci zubních kanálků pro devitalizaci a v ortodoncii, kde je díky své tvarové paměti a vlastnostem pružnosti materiálem vhodným pro výrobu oblouků, které umožňují korekci polohy zuby.

Měli bychom poukázat na vzhled titanových nástrojů pro chirurgii, jako jsou vodou chlazené duté vrtačky. Na rozdíl od oceli žádné zbytky titanového nástroje, které mohou zůstat v těle, nezpůsobí pooperační infekci kvůli své biokompatibilitě .

Nakonec titan vstupuje do složení supravodivých cívek MRI zařízení ve spojení s dalším přechodným kovem : niobem .

Energetický průmysl

Titan se také používá, zejména ve Spojených státech, v sekundárních okruzích jaderných reaktorů, aby se minimalizoval počet výpadků bloků, které jsou extrémně drahé. Je třeba také poznamenat jeho použití v geotermální energii ve formě trubek a plášťů a ve výměnících tepla (přímých trubkách nebo trubkách ve tvaru písmene U), opět pro svou odolnost proti korozi a odolnost proti erozi. Nakonec se díky své vysoké specifické mechanické pevnosti používá v parních turbínách ve formě lopatek; v tomto případě jsou zastavení elektrárny v důsledku zlomení lopatky výrazně snížena.

Automobilový průmysl

Zdá se, že novou oblastí použití je automobilová konstrukce. Titanové díly v osobních automobilech představují hlavně německé, japonské a americké značky. Hledá se odlehčení konstrukcí zaměřených na snížení výparů i hluku motoru; najdeme tedy ventily, pružiny a ojnice v titanu.

Případ pružin je typický pro dobré využití vlastností titanu: protože jeho Youngův modul je dvakrát nižší než u oceli , je nutný poloviční počet závitů; protože má poloviční hustotu než ocel, je pružina čtyřikrát lehčí a její uložení do závěsu vyžaduje polovinu prostoru. Pokud k tomu přidáme, že má téměř neomezenou životnost, dokonce i na silnicích s vysokým stupněm zasolení, chápeme zájem automobilového průmyslu.

Optický

Titan se používá jako příměs pro výrobu zesilovacího média pro laditelné lasery (typ titan-safírový laser ). Zájem titanu pro laditelný laser je ten, že se jedná o přechodný kov s elektrostaticky málo stíněnou 3d vrstvou, což vede k safírovým optickým zesilovačům dopovaným titanem s velmi širokou křivkou zisku, a tedy velkou laditelností frekvence.

Ve zcela jiné oblasti optiky se od roku 1981 používá titan k výrobě brýlových obrub, pro které nabízí dobrou kombinaci odolnosti, pružnosti a lehkosti, přičemž je velmi biokompatibilní.

Využití titanu ve sportu

Používá se v cyklistice k výrobě špičkových rámů s nízkou hmotností rovnou uhlíku a pevnou jako ocel .

Používá se v oblasti freestylových skútrů k výrobě dílů (zejména řídítek), které jsou lehčí a obzvláště odolné proti nárazům.

Používá se v horolezectví ke stavbě karabin , které jsou užitečné pro jejich vlastnosti při kryogenních teplotách.

Jiná použití

Z chloridu titaničitého se vyrábí duhové sklo a jako kouřová clona, protože hodně kouří ze vzduchu.
Používá se v keramice při přípravě určitých emailů.
Jeho inertní strana a příjemná barva z něj činí běžný kov pro šperky na piercing ; barvení titanu anodizací je v současné době široce používáno v řemeslných špercích;
Někdy se používá jako katalyzátor .
Používá se v architektuře jako krycí materiál. Díky svým vlastnostem odolnosti proti korozi, ale především díky schopnosti tepelné anodizace být pokryty extrémně odolnou vrstvou oxidu, která může nabrat všechny barvy duhy , je materiál vhodným pro výběr (příklad Guggenheimova muzea v Bilbau nebo socha Shoal v Londýně ).
Používá se v pyrotechnice , buď ve směsi ve formě hoblin s černým práškem k produkci bílých jisker, nebo navíc k chloristanům, které způsobují silné exploze: například „titanová vzduchová hnědá“ není nikdo jiný než ohňostrojová bomba, která produkuje bílý blesk s hlasitým třeskem.
Výměníky tepla pro výrobu energie (konvenční a jaderné elektrárny)
Použití při výrobě brnění středověkého typu pro nácvik skutečného boje zvaného behourd , vlastnosti titanu poskytující značný nárůst síly a lehkosti ve srovnání s konvenčním ocelovým pancířem (plné brnění v titanu: asi 15 kg , proti 30 u oceli).

Symbolický

Titanium je 11 th hladina v progresi sklářské píšťaly sportu.

Titanu svatební odpovídá 72 nd výročí svatby .

Obchod

V roce 2014 byla Francie podle francouzských zvyků čistým dovozcem titanu. Průměrná dovozní cena za tunu byla 4 700 EUR.

Poznámky a odkazy

Poznámky

Podle experimentů prováděných na montážních platformách, zejména ruských, francouzských a amerických, a extrapolací a přivlastněním si ruských technologií zahájených v meziplanetárním prostoru některými japonskými průmysly.
S germaniem (pokročilá elektronika); hořčík (výbušniny); platina (kontakty vodivé jako zlato pro letectví, obvody s rychlými kontakty); rtuť (jaderná chemie, měřicí přístroje); molybden (ocel); kobalt (jaderná chemie); colombium (extrémně vzácné speciální slitiny). ( Christine Ockrent , comte de Marenches , Dans le secret des princes , ed. Stock, 1986, s. 193. )

Reference

(en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics , CRC Press Inc,2009, 90 th ed. , 2804 s. , Vázaná kniha ( ISBN 978-1-420-09084-0 )
(in) Beatriz Cordero Verónica Gómez, Ana E. Platero-Prats, Marc Revés Jorge Echeverría, Eduard Cremades, Flavia a Santiago Barragan Alvarez , „ Covalent radii revisited “ , Dalton Transactions ,2008, str. 2832 - 2838 ( DOI 10.1039 / b801115j )
(en) „Titanium“ , na NIST / WebBook , přístup 28. června 2010
(in) Thomas R. Dulski, Manuál pro chemickou analýzu kovů , sv. 25, ASTM International,1996, 251 s. ( ISBN 0803120664 , číst online ) , s. 711
Databáze Chemical Abstracts dotazována prostřednictvím SciFinder Web 15. prosince 2009 ( výsledky hledání )
SIGMA-ALDRICH
Émile Littré , slovník francouzského jazyka ,1872( číst online ).
Merck Index , 13 th Edition, 9547 .
„ Kurz mechanických vlastností kosti “ , o kosti (přístup k 17. srpnu 2009 )
Nathalie Mayer , „ TA6V “ na Futuře (přístup k 6. dubna 2021 )
„ Popis oxidu titaničitého na SFC.fr “ , na TiO2 (přístup 29. července 2009 )
Emsley J., Stavební kameny přírody: průvodce AZ po prvcích , Oxford University Press ,2001
Stav světa 2005, globální geopolitický ekonomický adresář
USA Geologický průzkum , „ USGS Minerals Information: Titanium “
Sázky na podmořskou složku admirál Thierry d'Arbonneau, bývalý velitel strategických oceánských sil
Historie společnosti Kimura Kinzoku (v japonštině)
Příklad barvení titanu anodizací
„ Ukazatel dovozu / vývozu “ , Generální ředitelství cel. Uveďte NC8 = 26140000 (zpřístupněno 7. srpna 2015 )

Podívejte se také

Bibliografie

Obecné encyklopedie

Seraphin (L.), Titanium , v Encyclopaedia Universalis, Corpus 22, 4 th edition, Paříž (Francie): Encyclopaedia Universalis, 1995, str. 695-697 .
An, Titane , Auger (P.) (ed.), Grmek (MD) (ed.), International Encyclopedia of Sciences and Techniques, svazek 10, Paříž (Francie): Presses de la cité, 1973, s. 511-515 .

Specializované knihy

Belov (AF) (vyd.), Williams (JC) (vyd.), Titan a slitiny titanu - vědecký a technologický aspekt , 3 svazky, New York (USA): Plenum Press Publishing Corporation, 1982, 2457 s.
Brunette, Tengvall, Textor, Thomsen, „Titanium in Medicine“, Berlín (Deutschland), Springer, 2001, 1019 s.
Leyens (C.) & Peters (M.), Titanium and Titanium Alloys , Chichester (Anglie): John Wiley & Son Inc., 2002, 599 p.
Lütjering (G.) & Williams (JC), Titanium , Berlín (Německo): Springer, 2003, 687 s.

Články a studie

Cariola (M.), Sektor s vysokým potenciálem: kov titanu . Oligopolistické politiky a technologická omezení jako hlavní omezení jejího rozvoje, in Policy Policy, [online], svazek 25, 2000, s. 1. 151-159 , k dispozici na http://www.sciencedirect.com .
Gerdemann (SJ), Titanium Process Technologies , v Advanced Materials & Processes; objem. 159; isue 7, Material Park, Ohio (USA): American Society for Metals,Červenec 2001, str. 41-43 .
Louvigné (P.-F.) za Generální ředitelství pro plánování, bydlení a přírodu, Ředitelství pro vodu a biologickou rozmanitost, Sub-ředitelství pro ochranu a správu vod a nerostných zdrojů, studie Watch on titanium market 2012-2014 , Paříž (Francie): prosinec 2014, 150 s.

Související články

externí odkazy

Slitiny titanu
UKAD
MKAD
SQUAD
ECOTITANIUM
METAFENSCH
Titanová asociace
Titan na Webelementu Sheffield University
(en) „ Technické údaje pro titan “ (zpřístupněno 12. srpna 2016 ) , se známými údaji pro každý izotop na podstránkách

Ahoj

Být

narozený

N / A

Ano

Že

PROTI

Spol

Nebo

Eso

Pozn

Já

Čs

The

Tento

Odpoledne

Měl

Číst

Vaše

Kost

Fr.

Čt

Mohl

Dopoledne

Srov

Mt.

119

120

121

122

123

124

125

126

127

128

129

130

131

132

133

134

135

136

137

138

139

140

141

142

Alkalické kovy	Alkalická země	Lanthanidy	Přechodné kovy	Špatné kovy	kovově loids	Nebankovní kovy	halo geny	Vzácné plyny	Položky nezařazené
		Aktinidy
		Superaktinidy