تيتانيوم

کليات : تيتانيوم عنصري ست فلزي با عدد اتمي 22 که در گروه IVB و دوره چهارم جدول تناوبي جاي دارد . جرم اتمي آن 47/9 و داراي پنج ايزتوپ است . شش دهم درصد قشر زمين را تشکيل مي دهد و ترکيبهاي آن پراکنده و استخراج آن دشوار است .

تاريخچه :

تيتانيوم از کلمه لاتين Titans که پسر اول پادشاه Gaia بود گرفته شده است و به وسيله ويليام گرگور در سال 1791 در انگلستان کشف شد . اين عنصر چندين سال بعد توسط شيميست آلماني مارتين کلاپروت مجدداً کشف شد . فلز تيتانيوم تا سال 1946 در خارج از آزمايشگاه استفاده نمي شد تا اينکه ويليام کرول بررسي نمود که تيتانيوم مي تواند از نظر اقتصادي بوسيله احياي TiCI4 ( تتراکلرين تيتانيوم ) با منيزيم بوجود آيد که اين روش هنوز هم کاربرد دارد .

ويژگي ها :

تيتانيوم فلزي است جامد نقره اي چکش خوار با چگالي 4/5 گرم بر سانتيمتر مکعب نقطه ذوب 1675 درجه سانتي گراد و نقطه جوش 3260 درجه سانتيگراد .به اندازه فولاد محکم است، اما 45 درصد از آن سبکتر است . در مقابل خوردگي بسيار مقاوم است، اما در مقابل کلر و گوگرد خورده مي شود داراي قابليت جوشکاري بالايي است . به حالت مذاب فعال است، با اسيد نيتريک واکنش نمي دهد، اما اسيد سولفوريک غليظ و اسيد کلريدريک غليظ با آن واکنش مي دهند.در دماي 1200 درجه خود به خود آتش مي گيرد و به شدت اشتعال زا است .

ساختار :

گرچه نقطه ذوب تيتانيوم در حدود 1675درجه سانتيگراد مي باشد اما بيشتر آلياژهاي تجاري آلومينيوم در دماي 538 درجه سانتيگراد کاربرد دارند . تيتانيوم داراي دو ساختار کريستالي است، در يکي از آنها اتمها در ساختار مکعبي مرکز دار (، bcc ) قرار گرفته اند و در ديگر اتمها در يک ساختار شش وجهي فشرده يا هگزا گونال ( HCP ) قرار دارند . ساختار مکعبي مرکز دار ( bcc ) تنها در دماي بالا به دست مي آيد بجز در مواردي که تيتانيوم با ديگر عناصر براي ثبات پايدار ساختار مکعبي در دماي پايين آلياژ شده است .
دو ساختار کريستالي تيتانيوم به عنوان ساختار b، a شناخته مي شوند . a اشاره دارد به ساختارهاي هگزاگونال تيتانيوم چه به صورت آلياژ يا خالص و ساختار b مربوط به ساختارهاي مکعبي يا آلياژهاي آن است . اين ترکيبات نشان دهنده تمامي عناصر آلياژي تيتانيوم نيست اما بيشتر عناصر استفاده شده در طراحي آلياژهاي تيتانيوم را شامل مي شود . تيتانيوم خالص تجاري به صورت ساختار a است . اضافه کردن برخي از عناصر آلياژي به تيتانيوم خالص تجاري محدوده را براي ريز ساختارهاي آلياژي ايجاد مي کند . با داشتن سطح مطلوبي از عناصر آلياژي b ،فاز b در طول گرم کردن توليد مي شود و در حين فرآيند سرد کردن در ادامه يک فرآيند گرم به ساختار ديگر منتقل مي شود . ساختار حاصله در اين مورد را آلياژي b ،a مي نامند ( فاز b به a تبديل مي شود ولي فاز باقي مانده هم خواهيم داشت ) تغييرات در آلياژها متمايز مي شود با محدوده وسيعي از ساختار و خواص شيميايي آلياژ که لازمه يک آلياژ a مي باشد . اين تغييرات به صورت ترم ساختاري near - a ( ساختارهاي شبيه a يا نزديک به a ) هستند . ساختار را بايستي به طور کلي به عنوان نيمه پايدار شناخت . آلياژها با ساختار b در حين سرد کردن تا دماي اتاق به دست مي آيند .
آلوميندهاي تيتانيومي ترکيبات بين فلزي هستند که از تيتانيوم و آلومينيوم ( به همراه يک يا بيشتر از عناصر آلياژي ) به دست مي آيند .

کاربردها :

عمده ترين مصرف تيتانيوم در صنايع به دو صورت فلزي و دي اکسيد تيتانيوم است . شکل فلزي آن به دليل مشکلات تهيه و خالص سازي مصرف چنداني ندارد،اما در عوض مصرف اکسيد آن بصورت TiO2 در صنعت کاربرد بسيار گسترده اي دارد : به طوري که 90 درصد از صنايع اوليه مصرف کننده اکسيد تيتانيوم هستند . امروزه فلز تيتانيوم به عنوان يک فلز استراتژيک در موتور و ساختمان داخلي هواپيما موشکها ،جت ها، ماشين هاي نساجي وسايل شيميايي وسايل جراحي وسايل نمک زدايي وسايل ارتوپدي، وسايل غذاسازي هدفهاي لوله هاي اشعه ايکس، وسايل ساينده ،تجهيزات حمل و نقل صنايع شيميايي ،واحدهاي مولد برق، صنايع آلياژي ،ساخت زيردريايي ها ،کارخانه هاي ساخت مواد شيميايي، دستگاههاي خنک کننده نيروگاه هاي اتمي و حرارتي و دهها مورد ديگر کاربرد دارد . مصرف عمده دي اکسيد تيتانيوم در صنايع رنگ سازي به عنوان رنگ دانه مي باشد و همچنين اين ماده در صنايع سراميک پلاستيک کاغذ و الکترونيک کاربرد دارد . مصرف اين ماده در کشورهاي پيشرفته تقريباً 10 برابر کشورهاي در حال توسعه مي باشد . مصارف عمده :
فلز تيتا نيوم در محيط هاي فرسايشي بسيار مقاوم مي باشد . تيتانيوم خالص و يا آلياژهاي آن با ناخالصي کم در کارخانه هاي سولفور زدايي مشتقات نفتي در تجهيزات مربوط به چاه هاي نفت و در اتصالات مورد نياز و همچنين در موارد پزشکي مورد استفاده قرار مي گيرد . از طرفي هم اکنون ورق هاي فولادي يا پوشش تيتانيوم توليد شده که به علت خاصيت ضد فرسايشي کاربرد وسيعي در صنعت نفت و در مراحل سولفورزدايي مشتقات نفتي در پالايشگاه ها پيدا کرده اند . ديگر مصرف عمده اين فلز در صنعت هواپيما سازي است .امروزه در ايران علاوه بر صنايع هوايي و نظامي رويکردي خاص به اين فلز در صنايع شيميايي به خصوص در صنايع پتروشيمي ديده مي شود که اين به نوبه خود باعث ايجاد مجال مناسبي جهت کار بر روي اين فلز و تهيه روشهاي استاندارد توليد تجهيزات تيتانيومي در ايران مي گردد . ساير مصارف عمده تيتانيوم را مي توان به صورت زير خلاصه نمود : ساخت کاربيد تيتانيوم ،سراميک ،در فرآيندهاي شيميايي و الکتروشيميايي ،ساخت ورقه هاي فلزي و باز يافت آنها صنعت نفت ،سولفورزدايي گاز مايع ،نمک زدايي آب ( تصفيه آب ) ساخت پمپهاي مکش آب از دريا ،ساختمان سازي ،پزشکي ( قطعات تعويض در بدن دندانها )، صنايع اتومبيل سازي ،ساخت انباره هاي مخصوص براي نگهداري از موادي نظير ضايعات اتمي و غيره ،الياف تقويت کننده براي استفاده در ترکيبات فلزي، رباط هاي صنعتي ،جواهر سازي ،ساخت انواع آلياژها ،ذخيره سازي انرژي، بالا بردن قابليت هدايت حرارتي آلياژها، پرکننده ي سنگ هاي جواهرات مصنوعي و نرم افزار .
آلياژهاي تيتانيوم در بدنه هواپيماهاي جنگي، سفينه هاي فضايي موشکها موتور هواپيماها ،ادوات رزمي، توربين هاي گازي، دوچرخه و کامپيوترهاي Laptop، مورد استفاده قرار مي گيرند . تيتانيوم اغلب با آلومينيوم ،آهن ،منگنز، موليبدن و فلزات ديگر تشکيل آلياژ مي دهد .
آلياژ ايلمنيت اين فلز در تهيه اکسيد تيتانيوم که در صنايع رنگ سازي کاغذ سازي و پلاستيک به عنوان ماده رنگي براق کردن سطح فلزات، لعاب، لاستيک سازي ،شيشه فايبر گلاس ،سراميک الکتروسراميک و ... مصرف مي شود، کاربرد دارد .
تنها در حدود 5 % توليد سالانه جهاني تيتانيوم صرف توليد فلز تيتانيوم شده و 95 % باقيمانده در توليد ماده رنگي دي اکسيد تيتانيوم مورد استفاده قرار مي گيرد . اين ماده به واسطه رنگ سفيد درخشندگي عالي بي اثر ( خنثي بودن ) و مقاومت سايشي و حرارتي بالاي آن درجه دير گدازي بالا و توان زياد در توزيع و انتشار يکنواخت در ترکيبات ديگر به عنوان عمده ترين ماده اوليه رنگ سفيد در صنايع رنگ سازي کاغذ سازي پلاستيک ،لاستيک و ... شناخته مي شود . در زير به طور اخص مصارف تيتانيوم در صنايع و آلياژهاي آن مي آيند :

مصارف دارويي و آرايشي :

دي اکسيد تيتان براي التيام سوزش هاي پوستي مورد استفاده قرار مي گيرد و منعکس کننده اشعه ماوراء بنفش خورشيد است و بدين جهت در ساختن کرم ها و لوسيون هاي ضد آفتاب ( ضد سوختگي ) استفاده مي شود . از پودر در اکسيد تيتان در ساخت قاب کپسولهاي دارويي و پوشش قرص ها نيز استفاده مي شود .مصرف ساليانه عنصر تيتانيوم و ترکيبات آن 105 تا 106 تن مي باشد . تقريباً 95% تيتان به فرم اکسيد تيتان TiO4 مصرف مي شود و يک رنگدانه دايمي و به شدت سفيد رنگ با قدرت پوششي خوب در رنگ ها کاغذ و پلاستيک است . رنگ ها با وجود اکسيد تيتانيوم يک باز تابنده بسيار عالي اشعه مادون قرمز را مي سازد و بنا براين به طور گسترده اي توسط اختر شناسان مورد استفاده قرار مي گيرد . از آنجايي که اين فلز مقاومت بالا وزن سبک مقاومت غيرعادي در برابر خوردگي و توانايي ايستادگي در برابر دماهاي بالا مي باشد . بخاطر مقاومت بالا در آب دريا اين فلز براي ساخت شفت ها (محور ) ملخ هواپيما و پروانه کشتي استفاده مي شود .

دي اکسيد تيتان :

دي اکسيد تيتان در تهيه الياف مصنوعي نيز استفاده مي شود . پودر دي اکسيد تيتان خالص به عنوان رنگدانه در فرآورده هاي غذايي کاربرد دارد . دي اکسيد تيتانيوم در کرم هاي ( لوسيون ها ) ضد آفتاب استفاده مي شود که ناشي از توانايي آن در حفاظت پوست مي باشد . دي اکسيد تيتانيوم يک رنگدانه برتر سفيد رنگ با ضريب شکست 2/55 - 2/8 است مقاومت درخشندگي پايداري شيميايي و مقاومت در برابر اشعه ماوراي بنفش غير سمي بودن و پايداري در يک محدوده دمايي وسيع و قيمت مناسب آن سبب شده تا از آن در کاغذ رنگ پلاستيک ،لاستيک ،سراميک، پارچه و مواد آرايشي استفاده شود . دو نوع رنگدانه روتيل وجود دارد روتيل و آناتاژ. روتيل از شبکه بلوري متراکم تري نسبت به آناتاژ تشکيل شده و چگال تر است و ضريب شکست بالاتري دارد .

تتراکلرين تيتانيوم :

تتراکلرين تيتانيوم ( TiCL4 ) يک مايع بي رنگ است که براي ساخت شيشه استفاده مي شود و از آن جايي که آن در هواي مرطوب به شدت بخار مي کند به منظور پوشش در برابر بخار استفاده مي شود . ايلمنيت روتيل آناتاژ، روتيل مصنوعي و سر باره ي تيتانيوم به عنوان پيش ماده توليد رنگدانه دي اکسيد تيتانيوم از دو مسير سولفاته و کلريدي امکان پذير بوده که هر يک نياز به پيش ماده مخصوص به خود دارند .

تيتانات باريم :

در نيمه هادي ها و پيزو الکتريک ها به کار برده مي شود .

نيتريد تيتانيوم :

دماي ذوب 2950 درجه سانتيگراد دارد و از آن به عنوان بوته ذوب آلياژهاي لانتانيوم ،رنگ زرد طلايي در جواهرات و ... به کار مي رود .

آلکالي هاي تيتانيوم :

پليمريزاسيون کاتاليزور .

تيتانات استرانسيم :

جواهر مصنوعي ابزار نوري .

آلياژها :

تيتانيوم و آلياژهاي آن پتانسيل بالايي در خيلي از کاربردهاي خاص دارند ولي بايستي قبل از طراحي و استفاده از آن برخي از واقعيتها را در مورد آن مطلع بود و مد نظر داشت که بيشتر آن در ادامه آورده شده است . تيتانيوم خالص معمولاً داراي مقداري اکسيژن آلياژ شده با آن است که استحکام تيتانيوم خالص تحت تاثير مقدار اين عناصر بين نشيني ( اکسيژن و نيتروژن ) در ساختار تيتانيومي است . آلياژهاي آلفا معمولاً داراي مقدار بالايي از آلومينيوم هستند که موجب مقاومت به اکسايش اين آلياژ در دماهاي بالا مي شوند . (آلياژهاي آلفا - بتا همچنين داراي يک عنصر آلياژي اصلي هستند که آلومينيوم است و اولين دليل آن براي پايدار کردن فاز آلفا است ) . آلياژهاي آلفا را نمي توان براي افزايش خواص مکانيکي بالا تحت عمليات حرارتي قرار داد زيرا يک آلياژ تک فاز به حساب مي آيد . آلياژهاي بتا نيمه پايدار هستند و با اهميت ترين فايده و مزيت به دست آمده ازآنها افزايش شکل پذيري آنها در ارتباط با ديگر ساختارها است . تيتانيوم آلوميند از آلياژهاي متداول تيتانيومي متفاوت هستند زيرا آنها به طور اساسي ترکيباتي هستند که باعث افزايش استحکام و قابليت شکل پذيري و ديگر خواص مي شوند . تيتانيوم آلوميندي کاربردهاي دماي بالاتر نسبت به آلياژهاي تيتانيومي دارند اما قيمت تمام شده بيشتر و به طور کل داکتيليته و قابليت فرم پذيري کمتري خواهند داشت .
محصولات شکل داده شده تيتانيوم به راحتي در دسترس مي باشند ،ولي شکل ريخته گري شده آن محدودتر است . آلياژهاي ريخته گري از لحاظ وزن و قيمت مقرون به صرفه هستند . آلياژهاي پودري خيلي بيشتر مورد قبول هستند . همچنين فرآيندهاي پودر (متالورژي پودر ) امکان ترکيب آلياژهاي نامتعارف تري را نسبت به هم مي دهند . در متالورژي پودر اين امکان وجود دارد که با بدست آوردن محصولي ترکيبي به شکل نهايي بتوان قيمت بالاي آن را جبران کرد .

بيولوژي :

خنثي بودن تيتانيوم آن را به يک فلز مناسب براي استفاده در بخشهايي از بدن تبديل کرده است . يک استفاده بالقوه از تيتانيوم در گياهان شيرين کننده آب دريااست .

تاثيرات زيست محيطي :

تصور مي شود که نمکهاي تيتانيوم اغلب نسبتاً بي ضرر هستند . اما مواد مرکب کلرين تيتانيوم مانند TiCL4 و TiCL3 بايد خورنده باشند . تيتانيوم تمايل به تجمع بيولوژيکي در بافتهايي دارد که حاوي سيليس هستند که نبايد در اعمال بيولوژيکي انسان نشان داده شود . در صد مواد راديواکتيو در کانه هاي تيتانيوم دار که مي تواند طي فرآوري متمرکز شده و سرطان زا باشند مسئله زيست محيطي تيتانيوم است . در صد مجاز مواد راديو اکتيو در کاني هاي تيتانيوم توسط دولت هاي محلي و ايالتي قانون گذاري مي شود . درباره توليد دي اکسيد تيتانيوم دفع مواد زائد به ويژه سولفات هاي آهني و اسيد زائد در فرآيند سولفاته از ديگر مسائل زيست محيطي توليد تيتانيوم است .
منبع:اطلاعات علمي شماره 357
/س