คุณสมบัติสิบประการและฟังก์ชันพิเศษสามประการของไทเทเนียม
ไทเทเนียมเป็นธาตุที่มีเลขอะตอม 22 ในตารางธาตุ ซึ่งเป็นธาตุในกลุ่มย่อยของวัฏจักรที่ 4 กล่าวคือ หมู่ IVB นอกจากไทเทเนียมแล้ว องค์ประกอบของกลุ่มนี้ยังรวมถึงเซอร์โคเนียมและฮาฟเนียม ซึ่งมีจุดหลอมเหลวสูงและการก่อตัวของฟิล์มออกไซด์ที่เสถียรบนพื้นผิวที่อุณหภูมิห้อง
คุณสมบัติสิบอันดับแรกของไทเทเนียม
1 ความหนาแน่นต่ำ ความแข็งแรงสูง ความแข็งแรงจำเพาะสูง
ความหนาแน่นของไทเทเนียมคือ 4.51g/cm3 เหล็ก 57% ไทเทเนียมหนักกว่าอลูมิเนียมน้อยกว่าสองเท่า แข็งแกร่งกว่าอลูมิเนียมสามเท่า ความแข็งแรงเฉพาะของโลหะผสมไทเทเนียม (อัตราส่วนความแข็งแรง / ความหนาแน่น) มักใช้ในโลหะผสมอุตสาหกรรมที่ใหญ่ที่สุด (ดูตารางที่ 1) ความแข็งแรงเฉพาะของโลหะผสมไทเทเนียมคือ 3.5 เท่าของสแตนเลส อลูมิเนียมอัลลอยด์ 1.3 เท่าของโลหะผสมแมกนีเซียม 1.7 เท่า ดังนั้น มันเป็นอุตสาหกรรมการบินและอวกาศที่มีความจำเป็นต่อโครงสร้างของวัสดุ
การเปรียบเทียบความหนาแน่นและความแข็งแรงจำเพาะของไทเทเนียมกับโลหะชนิดอื่น
โลหะ | โลหะผสมไทเทเนียม | เหล็ก | อลูมิเนียม (โลหะผสม) | แมกนีเซียม (โลหะผสม) | เหล็กมีความแข็งแรงสูง |
ความหนาแน่น | 4.5 | 7.87 | 2.7 | 1.74 | 7.8 |
ความแข็งแกร่งเฉพาะ | 29 | 21 | 16 | 23 |
ทนต่อการกัดกร่อนได้ดีเยี่ยม
ความเฉื่อยของไทเทเนียมขึ้นอยู่กับการมีอยู่ของฟิล์มออกไซด์ และมีความทนทานต่อการกัดกร่อนในตัวกลางออกซิไดซ์ได้ดีกว่าในตัวกลางรีดิวซ์ การกัดกร่อนที่มีอัตราสูงเกิดขึ้นในรีดิวซ์ตัวกลาง ไทเทเนียมไม่กัดกร่อนในตัวกลางที่มีฤทธิ์กัดกร่อนบางชนิด เช่น น้ำทะเล ก๊าซคลอรีนเปียก สารละลายคลอไรต์และไฮโปคลอไรต์ กรดไนตริก กรดโครมิก คลอไรด์ของโลหะ ซัลไฟด์ และกรดอินทรีย์ อย่างไรก็ตาม ในสื่อที่ทำปฏิกิริยากับไทเทเนียมเพื่อผลิตไฮโดรเจน (เช่น กรดไฮโดรคลอริกและกรดซัลฟิวริก) ไทเทเนียมมักจะมีอัตราการกัดกร่อนสูง อย่างไรก็ตาม หากเติมตัวออกซิไดซ์จำนวนเล็กน้อยลงในกรด จะเกิดฟิล์มทู่ขึ้นบนพื้นผิวของไททาเนียม ดังนั้น ไทเทเนียมจึงมีความทนทานต่อการกัดกร่อนในกรดซัลฟิวริกเข้มข้น-กรดไนตริกเข้มข้น หรือกรดไฮโดรคลอริก-กรดไนตริกผสมกัน และแม้แต่ในกรดไฮโดรคลอริกที่มีคลอรีนอิสระ ฟิล์มป้องกันออกไซด์ของไทเทเนียมมักเกิดขึ้นเมื่อโลหะสัมผัสกับน้ำ แม้จะมีน้ำหรือไอน้ำในปริมาณเล็กน้อยก็ตาม หากไทเทเนียมสัมผัสกับสภาพแวดล้อมออกซิไดซ์อย่างแรงโดยไม่มีน้ำโดยสิ้นเชิง จะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันอย่างรวดเร็วและเกิดปฏิกิริยารุนแรงและแม้กระทั่งการเผาไหม้ที่เกิดขึ้นเอง ปรากฏการณ์ดังกล่าวเกิดขึ้นเมื่อไทเทเนียมทำปฏิกิริยากับกรดไนตริกที่เป็นไอซึ่งมีไนโตรเจนออกไซด์มากเกินไป และเมื่อไทเทเนียมทำปฏิกิริยากับก๊าซคลอรีนแห้ง ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้น้ำในปริมาณหนึ่งเพื่อป้องกันปฏิกิริยาดังกล่าว
ทนความร้อนได้ดี
โดยปกติแล้วอลูมิเนียมที่ 150 องศา สแตนเลสที่ 310 องศาซึ่งสูญเสียประสิทธิภาพเดิม และโลหะผสมไททาเนียมที่ 500 องศาหรือประมาณนั้นยังคงรักษาคุณสมบัติทางกลที่ดี เมื่อความเร็วของเครื่องบินถึง 2.7 เท่าของความเร็วเสียง อุณหภูมิพื้นผิวของโครงสร้างเครื่องบินจะสูงถึง 230 องศา ไม่สามารถใช้โลหะผสมอลูมิเนียมและโลหะผสมแมกนีเซียมได้ ในขณะที่โลหะผสมไทเทเนียมสามารถตอบสนองความต้องการได้ ไทเทเนียมทนความร้อนได้ดี ใช้สำหรับดิสก์และใบมีดคอมเพรสเซอร์ของเครื่องยนต์อากาศยาน และผิวลำตัวด้านหลังของเครื่องบิน
ประสิทธิภาพที่อุณหภูมิต่ำดี
โลหะผสมไทเทเนียมบางชนิด (เช่น Ti-5AI-2.5SnELI) มีความแข็งแรงด้วยอุณหภูมิที่ลดลงและเพิ่มขึ้น แต่ความเป็นพลาสติกไม่ได้ลดลงมากนัก ในอุณหภูมิต่ำยังคงมีความเหนียวและความเหนียวที่ดี เหมาะสม เพื่อใช้ในอุณหภูมิต่ำเป็นพิเศษ สามารถใช้ในเครื่องยนต์จรวดไฮโดรเจนเหลวและออกซิเจนเหลว หรือในยานอวกาศที่มีคนขับเพื่อใช้ภาชนะและถังเก็บอุณหภูมิต่ำพิเศษ
ไม่ใช่แม่เหล็ก
ไทเทเนียมเป็นแม่เหล็กหรือไม่? ไม่แน่นอน ไทเทเนียมมีชื่อเสียงในด้านคุณสมบัติที่ไม่ใช่แม่เหล็ก ซึ่งเกิดจากโครงสร้างผลึกอันเป็นเอกลักษณ์ที่ปราศจากอิเล็กตรอนที่ไม่มีการจับคู่ ทำให้เป็นแม่เหล็กและไม่สามารถผ่านสนามแม่เหล็กได้ คุณสมบัติที่แท้จริงนี้ช่วยให้แน่ใจว่าไทเทเนียมจะไม่ได้รับผลกระทบจากแม่เหล็ก ซึ่งตัดกันอย่างชัดเจนกับโลหะ เช่น เหล็ก โคบอลต์ และนิกเกิล ซึ่งมีอิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่และแสดงคุณลักษณะทางแม่เหล็กเมื่อสัมผัสกับแรงแม่เหล็ก การไม่มีการรบกวนทางแม่เหล็กทำให้ไทเทเนียมเป็นตัวเลือกที่เป็นแบบอย่างสำหรับการใช้งานที่สำคัญในอุปกรณ์ทางการแพทย์ วิศวกรรมการบินและอวกาศ และอุตสาหกรรมแปรรูปทางเคมี ซึ่งความเป็นกลางของแม่เหล็กมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อความสมบูรณ์ในการปฏิบัติงานและความปลอดภัย แม้ว่าโลหะผสมไททาเนียมสามารถแสดงลักษณะแม่เหล็กได้หากปนเปื้อนด้วยเหล็ก แต่ไททาเนียมบริสุทธิ์ยังคงรักษาคุณภาพที่ไม่ใช่แม่เหล็กไว้ได้ โดยให้วัสดุที่เชื่อถือได้และมีเสถียรภาพในสภาพแวดล้อมที่สนามแม่เหล็กอาจก่อให้เกิดความเสี่ยงหรือรบกวนประสิทธิภาพของอุปกรณ์ ดังนั้น สำหรับอุตสาหกรรมที่ให้ความสำคัญกับการไม่รบกวนสนามแม่เหล็ก ไทเทเนียมมีข้อได้เปรียบที่ไม่มีใครเทียบได้ โดยผสมผสานความแข็งแกร่ง ลักษณะน้ำหนักเบา และความต้านทานการกัดกร่อนเข้ากับคุณสมบัติที่ไม่ใช่แม่เหล็ก ทำให้มั่นใจทั้งการทำงานและความปลอดภัยในการใช้งานที่มีความละเอียดอ่อน
การนำความร้อนเล็กน้อย
การเปรียบเทียบค่าการนำความร้อนของไทเทเนียมกับโลหะอื่นแสดงไว้ในตารางต่อไปนี้
โลหะ | ไทเทเนียมบริสุทธิ์ | โลหะผสมไทเทเนียม | เหล็กธรรมดา | สแตนเลส | อัลอัลลอยด์ | โลหะผสมเอ็มจี | ทองแดง |
การนำความร้อน/W•(m•K)-1 | 17 | 7.5 | 63 | 16 | 121 | 159 | 385 |
ค่าการนำความร้อนของไทเทเนียมมีขนาดเล็ก เพียง 1/5 ของเหล็ก 1/13 ของอลูมิเนียม และ 1/25 ของทองแดง การนำความร้อนต่ำถือเป็นข้อเสียของไทเทเนียม แต่คุณลักษณะของไทเทเนียมนี้สามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้ในบางสถานการณ์
โมดูลัสความยืดหยุ่นต่ำ
การเปรียบเทียบโมดูลัสความยืดหยุ่นของไทเทเนียมกับโลหะชนิดอื่น
โลหะ | ไทเทเนียมบริสุทธิ์ | โลหะผสมไทเทเนียม | เหล็กธรรมดา | สแตนเลส | อัลอัลลอยด์ | โลหะผสมเอ็มจี | ทองแดง |
โมดูลัสยืดหยุ่น/Gpa | 106.3 | 113.2 | 205.8 | 199.9 | 71.5 | 44.8 | 107.8 |
โมดูลัสความยืดหยุ่นของไทเทเนียมมีค่าเพียง 55% ของเหล็ก และโมดูลัสความยืดหยุ่นต่ำถือเป็นข้อเสียเมื่อใช้เป็นวัสดุโครงสร้าง
ความต้านแรงดึงนั้นใกล้เคียงกับความแรงของผลผลิตมาก
ความต้านทานแรงดึงของโลหะผสมไทเทเนียม Ti-6AI-4V อยู่ที่ 960MPa ความแข็งแรงของผลผลิตที่ 892MPa ความแตกต่างระหว่างทั้งสองมีเพียง 58MPa ดูตารางต่อไปนี้
ความแข็งแกร่ง | โลหะผสมไทเทเนียม ติ-6อัล-4วี |
โลหะผสมไทเทเนียม | เหล็กธรรมดา |
ความต้านทานแรงดึง | 960 | 608 | 470 |
ความแข็งแรงของผลผลิต | 892 | 255 | 294 |
ไทเทเนียมสามารถออกซิไดซ์ได้ง่ายที่อุณหภูมิสูง
ไทเทเนียมมีพันธะที่แข็งแกร่งกับไฮโดรเจนและออกซิเจน ดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญในการป้องกันการเกิดออกซิเดชันและการดูดซึมไฮโดรเจน การเชื่อมไทเทเนียมควรทำภายใต้การป้องกันอาร์กอนเพื่อป้องกันการปนเปื้อน ท่อไทเทเนียมและแผ่นบางควรได้รับการบำบัดความร้อนภายใต้สุญญากาศ และควรควบคุมบรรยากาศออกซิไดซ์เล็กน้อยระหว่างการบำบัดความร้อนของการตีขึ้นรูปไทเทเนียม
ประสิทธิภาพการหน่วงต่ำ
ใช้ไทเทเนียมและวัสดุโลหะอื่นๆ (ทองแดง เหล็ก) เพื่อสร้างกระดิ่งที่มีรูปร่างและขนาดเท่ากันทุกประการ หากคุณตีระฆังแต่ละใบด้วยแรงเท่ากันคุณจะพบว่าเสียงของระฆังไทเทเนียมจะคงอยู่นานขึ้นเมื่อสั่น กล่าวคือ พลังงานที่มอบให้โดยการตีนั้นไม่ใช่เรื่องง่ายที่จะหายไป ดังนั้นเราจึงกล่าวว่าไทเทเนียมมีประสิทธิภาพในการหน่วงต่ำ
3 ฟังก์ชั่นพิเศษของไทเทเนียม
ฟังก์ชั่นหน่วยความจำรูปร่าง
นี่หมายถึงความสามารถของโลหะผสม Ti-50%Ni (อะตอมมิก) ในการคืนรูปร่างดั้งเดิมภายใต้สภาวะอุณหภูมิที่กำหนด โดยเรียกวัสดุนี้ว่าโลหะผสมหน่วยความจำรูปร่าง
ความเป็นตัวนำยิ่งยวด
หมายถึงโลหะผสม Nb-Ti เมื่ออุณหภูมิลดลงใกล้ศูนย์สัมบูรณ์ โลหะผสม Nb-Ti ที่ทำจากลวดจะสูญเสียความต้านทาน กระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่ใดๆ ที่ไหลผ่าน ลวดจะไม่ร้อน ไม่มีการใช้พลังงาน Nb-Ti เรียกว่า วัสดุตัวนำยิ่งยวด
ฟังก์ชั่นการเก็บไฮโดรเจน
หมายถึงโลหะผสม Ti-50%Fe (อะตอมมิก) ซึ่งมีความสามารถในการดูดซับไฮโดรเจนจำนวนมาก ด้วยการใช้คุณลักษณะของ Ti-Fe นี้ จึงสามารถจัดเก็บไฮโดรเจนได้อย่างปลอดภัย กล่าวคือ ไม่จำเป็นต้องใช้กระบอกสูบแรงดันสูงที่เป็นเหล็กเพื่อกักเก็บไฮโดรเจน ภายใต้เงื่อนไขบางประการ Ti-Fe ยังสามารถใช้เพื่อปล่อยไฮโดรเจนได้ และ Ti-Fe เรียกว่าวัสดุกักเก็บพลังงาน
หากมีข้อสงสัยเพิ่มเติมเกี่ยวกับการใช้งานไทเทเนียมหรือเพื่อสำรวจกลุ่มผลิตภัณฑ์ของเรา โปรดอย่าลังเลที่จะติดต่อเราที่ euros.yang@xuboti.com เราพร้อมให้ความช่วยเหลือคุณ!