خصائص وخصائص التيتانيوم

التيتانيوم معدن حراري قوي وخفيف الوزن. تعتبر سبائك التيتانيوم حاسمة بالنسبة لصناعة الطيران ، في حين تستخدم أيضًا في الأجهزة الطبية والكيميائية والعسكرية والمعدات الرياضية.

تطبيقات الفضاء الحساب 80٪ من استهلاك التيتانيوم ، بينما يستخدم 20٪ من المعدن في الدروع والأجهزة الطبية والسلع الاستهلاكية.

• الرمز الذري: Ti
• العدد الذري: 22
• عنصر الفئة: معدن انتقالي
• الكثافة: 4.506 / سم³
• نقطة الانصهار: 3038 درجة فهرنهايت (1670 درجة مئوية)
• نقطة الغليان: 5949 درجة فهرنهايت (3287 درجة مئوية)
• صلابة محمد: 6

خلائط التي تحتوي على التيتانيوم معروفة بقوتها العالية ووزنها الخفيف ومقاومتها للتآكل بشكل استثنائي. على الرغم من كونها قوية مثل صلب، التيتانيوم أخف وزنا بحوالي 40٪.

هذا ، إلى جانب مقاومته للتجويف (تغيرات الضغط السريع ، التي تسبب موجات الصدمة ، والتي يمكن أن تحدث إضعاف أو إتلاف المعدن بمرور الوقت) والتآكل ، مما يجعله معدنًا هيكليًا أساسيًا للفضاء المهندسين.

التيتانيوم أيضا هائلة في مقاومته تآكل بواسطة كل من الماء والوسائط الكيميائية. هذه المقاومة هي نتيجة لطبقة رقيقة من ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂) التي تتشكل على سطحها ويصعب للغاية على هذه المواد اختراقها.

التيتانيوم لديه معامل مرونة منخفض. هذا يعني أن التيتانيوم مرن للغاية ، ويمكن أن يعود إلى شكله الأصلي بعد الانحناء. خلائط الذاكرة (السبائك التي يمكن أن تشوه عندما تكون باردة ، ولكنها ستعود إلى شكلها الأصلي عند تسخينها) مهمة للعديد من التطبيقات الحديثة.

التيتانيوم غير مغناطيسي ومتوافق حيويًا (غير سام ، وغير مثير للحساسية) ، مما أدى إلى استخدامه المتزايد في المجال الطبي.

تم تطوير استخدام معدن التيتانيوم ، بأي شكل من الأشكال ، فقط بعد الحرب العالمية الثانية. في الواقع ، لم يتم عزل التيتانيوم كمعدن حتى أنتجه الكيميائي الأمريكي ماثيو هانتر عن طريق تقليل رابع كلوريد التيتانيوم (TiCl3)₄) بالصوديوم في عام 1910 ؛ طريقة تعرف الآن باسم عملية هنتر.

ومع ذلك ، لم يأت الإنتاج التجاري إلا بعد أن أظهر ويليام جاستن كرول أن التيتانيوم يمكن أيضًا تقليله من الكلوريد باستخدام المغنيسيوم في الثلاثينيات. لا تزال عملية Kroll أكثر طرق الإنتاج التجاري استخدامًا حتى يومنا هذا.

بعد تطوير طريقة إنتاج فعالة من حيث التكلفة ، كان أول استخدام رئيسي للتيتانيوم في الطائرات العسكرية. بدأت الطائرات والغواصات العسكرية السوفيتية والأمريكية المصممة في الخمسينات والستينات من القرن الماضي في استخدام سبائك التيتانيوم. بحلول أوائل الستينيات ، بدأ مصنعو الطائرات التجارية في استخدام سبائك التيتانيوم أيضًا.

استيقظ المجال الطبي ، وخاصة زراعة الأسنان والأطراف الصناعية ، على فائدة التيتانيوم بعد دراسات الطبيب السويدي بير إنغفار برانيمارك التي يعود تاريخها إلى أظهرت الخمسينيات أن التيتانيوم لا يسبب أي استجابة مناعية سلبية في البشر ، مما يسمح للمعادن بالاندماج في أجسامنا في عملية وصفها التكامل العظمي.

على الرغم من أن التيتانيوم هو رابع أكثر العناصر المعدنية شيوعًا في قشرة الأرض (خلف الألومنيوم والحديد والمغنيسيوم) ، إلا أن إنتاج معدن التيتانيوم حساس للغاية للتلوث ، وخاصة بالأكسجين ، وهو ما يمثل تطورًا حديثًا نسبيًا وعاليًا كلفة.

الخامات الرئيسية المستخدمة في الإنتاج الأولي من التيتانيوم هي الإلمنيت والروتيل ، والتي تمثل على التوالي حوالي 90 ٪ و 10 ٪ من الإنتاج.

تم إنتاج ما يقرب من 10 مليون طن من تركيز معادن التيتانيوم في عام 2015 ، على الرغم من أنه فقط جزء صغير (حوالي 5 ٪) من تركيز التيتانيوم المنتج كل عام ينتهي به المطاف في نهاية المطاف في التيتانيوم معدن. بدلاً من ذلك ، يتم استخدام معظمها في إنتاج ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂) ، تبييض الصباغ تستخدم في الدهانات والأطعمة والأدوية ومستحضرات التجميل.

في الخطوة الأولى من عملية Kroll ، يتم سحق خام التيتانيوم وتسخينه بفحم الكوك في جو من الكلور لإنتاج رابع كلوريد التيتانيوم (TiCl)₄). يتم بعد ذلك التقاط الكلوريد وإرساله من خلال مكثف ينتج سائل كلوريد تيتانيوم نقي بنسبة 99٪.

ثم يتم إرسال رابع كلوريد التيتانيوم مباشرة إلى أوعية تحتوي على المغنيسيوم المصهور. من أجل تجنب تلوث الأكسجين ، يتم ذلك عن طريق إضافة غاز الأرجون.

أثناء عملية التقطير الناتجة ، والتي يمكن أن تستغرق عدة أيام ، يتم تسخين الوعاء إلى 1832 درجة فهرنهايت (1000 درجة مئوية). يتفاعل المغنيسيوم مع كلوريد التيتانيوم ، ويزيل الكلوريد وينتج عنصر التيتانيوم وكلوريد المغنيسيوم.

يشار إلى التيتانيوم الليفي الذي ينتج نتيجة لذلك باسم الإسفنج التيتانيوم. لإنتاج سبائك التيتانيوم وسبائك التيتانيوم عالية النقاء ، يمكن صهر الإسفنج التيتانيوم بعناصر السبائك المختلفة باستخدام شعاع إلكتروني أو قوس بلازما أو انصهار قوس فراغ.