Prášek diboridu titaničitého

Diborid titaničitý (TiB2) je pokročilý keramický materiál s jedinečnou kombinací vlastností, díky nimž je vhodný pro náročné aplikace v průmyslových odvětvích, jako je letectví, obrana, automobilový průmysl a výroba. Tento článek poskytuje přehled prášek diboridu titaničitého, včetně jeho klíčových vlastností, výrobních metod a současného a nového využití v různých odvětvích.

Přehled prášku diboridu titaničitého

Diborid titaničitý je žáruvzdorná keramická sloučenina složená z titanu a boru. Jeho chemický vzorec je TiB2. Zde je stručný přehled některých hlavních vlastností tohoto moderního materiálu:

Klíčové vlastnosti:

• Extrémní tvrdost - 9-9,5 stupňů Mohsovy stupnice
• Vysoká pevnost při pokojových i zvýšených teplotách
• Vynikající tepelná a elektrická vodivost
• Nízký koeficient tepelné roztažnosti
• Dobrá odolnost proti korozi a oxidaci
• Vysoká odolnost proti chemickému napadení
• Nízká hustota - 4,5 g/cm3

Výrobní metody:

• Samopropagující vysokoteplotní syntéza (SHS)
• Reakce oxidu titaničitého a karbidu boru
• Redukce oxidu titaničitého a oxidu boru
• Další metody, jako je CVD, sol-gel atd.

Běžné formy:

• Prášek
• Komponenty lisované za tepla
• Tepelně stříkané povlaky
• Složené přípravky

Průmyslové aplikace:

• Řezné nástroje a opotřebitelné díly
• Součásti motoru
• Systémy tepelného managementu
• Balistické pancéřové systémy
• Jaderné aplikace -Elektronika a senzory
• Nové možnosti využití 3D tisku

Tyto výjimečné vlastnosti vyplývají z krystalové struktury, stechiometrie a podmínek zpracování použitých při syntéze diboridu titaničitého. Podívejme se na tyto aspekty podrobněji:

Složení a krystalová struktura

Diborid titaničitý má jednoduchou hexagonální krystalovou mřížku, v níž se střídají roviny atomů titanu s grafitovými sítěmi boru. Toto uspořádání dává vzniknout jedinečným elektrickým, tepelným a mechanickým vlastnostem.

Složení prvků

Prášek diboridu titaničitého má následující hmotnostní složení:

• Titan - 69.96%
• Bór - 30.04%

Tento přesný molární poměr 2:1 titanu a boru umožňuje tvorbu stechiometrické sloučeniny TiB2 potřebné pro optimální vlastnosti.

Krystalická struktura

Rozměry hexagonální jednotkové buňky diboridu titaničitého jsou:

• a = b = 3,028 Å
• c = 3,228 Å

Atomy titanu a boru mají mezi sebou silnou kovalentní vazbu. Vrstevní uspořádání dává diboridu titaničitému vynikající pevnost v základní rovině a zároveň umožňuje elektrickou vodivost napříč vrstvami podobnou kovu.

Parametry mřížky

Prášek diboridu titaničitého vysoké čistoty by měl mít následující parametry mřížky:

• a = 3.029 Å
• c = 3.229 Å
• poměr c/a = 1,066
• Objem buňky = 23,06 Å3

Pečlivé sledování rozměrů mřížky slouží jako kontrola kvality během měření. prášek diboridu titaničitého syntézy, aby byla zajištěna čistota fáze a zabráněno vzniku sekundárních fází.

Klíčové vlastnosti a charakteristiky

Kombinace krystalové struktury, stechiometrie a podmínek zpracování propůjčuje práškovému diboridu titaničitému jeho jedinečné multifunkční vlastnosti, díky nimž je vhodný do extrémních prostředí.

Mechanické vlastnosti

Extrémní tvrdost, vysoká pevnost a střední lomová houževnatost diboridu titanu mu umožňují odolávat vysokému opotřebení, abrazi, erozi a zatížení.

Fyzikální vlastnosti

Žáruvzdornost, vysoká vodivost a nízká roztažnost umožňují diboridu titaničitému odolávat extrémním teplotám a tepelným cyklům.

Chemické vlastnosti

Tyto chemické vlastnosti poskytují součástem diboridu titanu ochranu v reaktivních prostředích a procesních podmínkách.

Díky této vzácné kombinaci mechanických, fyzikálních a chemických vlastností je diborid titanu ceněn pro specializované použití.

Výrobní metody pro Prášek diboridu titaničitého

Prášek diboridu titaničitého vhodný pro takto pokročilé aplikace nelze vyrobit běžnými technikami zpracování keramického prášku. K syntéze této ultra vysokoteplotní sloučeniny jsou zapotřebí specializované nerovnovážné procesy.

Samopropagující vysokoteplotní syntéza

Metoda SHS zahrnuje vysoce exotermické redoxní reakce mezi prekurzory titanu a boru za vzniku TiB2 při teplotách nad 2000 °C. Směsi prášku oxidu titaničitého a boru se při lokálním zahřívání vznítí a udržují frontu hoření, která přeměňuje reaktanty na produkt diborid titaničitý. Mezi výhody SHS patří krátká doba vzniku, syntéza v jednom kroku a jemný prášek o velikosti krystalitů 20-50 nm.

Procesy redukce

Prášek TiB2 lze vyrobit redukcí vstupní suroviny TiO2 se zdroji boru/uhlíku při teplotě 1800-2200 °C různými metodami:

• Metalotermická redukce pomocí hořčíku
• Silikotermická redukce oxidem křemičitým
• Aluminotermická redukce prostřednictvím hliníku
• Karbotermická a borotermická redukce ve vakuu

Další procesy

Pro přípravu nanoměřítka a ultrajemného prášku diboridu titaničitého se zkoumají i další techniky, jako je sol-gel, CVD a plazmová syntéza.

Správné následné zpracování pomocí deaglomerace, mletí a klasifikace zajišťuje dostupnost velikostí částic a rozdělení velikostí specifických pro danou aplikaci.

Specifikace produktu

Prášek diboridu titaničitého pro komerční a výzkumné použití je k dispozici ve standardizovaných i přizpůsobených variantách, které splňují potřeby aplikace:

Velikosti

• Nanoprášek: Velikost částic < 100 nm
• Ultrajemný prášek: Velikost částic 0,1 - 1 μm
• Jemný prášek: Velikost částic 1-10 μm
• Hrubý prášek: Velikost částic > 10 μm

Morfologie

• Sférické, hranaté, vločkovité, dendritické částice
• Stupeň aglomerace

Stupně čistoty

• Výzkumná třída - >= 92-98% TiB2
• Technická třída - >= 94% TiB2
• Průmyslová třída - >= 96-99% TiB2

Plocha povrchu

• Nízký povrch ~1-5 m2/g
• Vysoká plocha povrchu 5-25 m2/g

Přizpůsobení

• Přídavky dopantů - Ta, Nb, TiC atd.
• Složené přípravky
• Požadovaná distribuce velikosti částic

Pochopení cílů aplikace je vodítkem pro správný výběr třídy prášku - čistota, hustota a vlastnosti částic mají přímý vliv na vlastnosti hotového výrobku.

Stanovení cen

Cena prášku diboridu titanu

Ceny se liší podle:

• Stupeň čistoty
• Rozsah výroby
• Vlastnosti částic
• Vzácnost specifikací
• Objem nákupu

Faktory ovlivňující cenu:

• Náklady na suroviny
• Energeticky náročné zpracování
• Specializované nerovnovážné techniky
• Více kroků po ošetření
• Speciální manipulační a přepravní protokol

Přístupy ke snižování nákladů:

• Přechod na prášek nižší čistoty
• Zvyšující se množství nákupu za zvýhodněné ceny
• Nákup směsí prekurzorů Ti a B místo prášku TiB2

Dodavatelé

Diborid titaničitý, jakožto vyspělý keramický materiál, se celosvětově vyrábí jen v několika málo velkých závodech. Mezi přední dodavatele patří:

Hlavní výrobci

• H.C. Starck - Německo
• Společnost Materion - USA
• 3M - USA
• Japan New Metals Co. - Japonsko

Ostatní dodavatelé

• Stanford Advanced Materials - USA
• Edgetech Industries - Velká Británie
• Micron Metals - USA
• Nanoshel - USA

Aplikace diboridu titanu

Díky výjimečné kombinaci vlastností je diborid titaničitý prášek vhodný pro specializované aplikace v různých průmyslových odvětvích:

Aplikace TiB2 v řezných nástrojích

Extrémní tvrdost, vysoká pevnost, dobrá tepelná vodivost a chemická odolnost diboridu titanu mu umožňují být vynikajícím kandidátem pro výrobu břitových destiček a dalších opotřebitelných součástí.

Specifikace řezného nástroje TiB2

Provozní podmínky nástroje TiB2

• Vysokorychlostní obrábění > 100 m/min
• Přerušované řezání mechanickými rázy a vibracemi
• Prostředí s nízkým obsahem chladicí kapaliny nebo suché obrábění

Vhodné pro obrábění

• Vysoce abrazivní materiály - CFRP, MMC, niklové slitiny
• Letecký hliník, titan a superslitiny
• Kalené oceli - nástrojové, nerezové a superocely

Výhody oproti jiným nástrojovým materiálům

• 4x vyšší tvrdost než karbid wolframu
• Lepší odolnost proti opotřebení než nástroje z oxidu hlinitého
• Vyšší pevnost než u cBN nástrojů při > 700 °C
• Lepší chemická inertnost ve srovnání s keramikou SiC, Si3N4

Výrobky pro řezné nástroje TiB2

• Vyměnitelné destičky se složitou geometrií
• Plné frézy a vrtáky
• Vlastní tvary nástrojů

Diborid titanu tak vykazuje výhody v oblasti nákladů na nástroje díky delší životnosti, vyšší produktivitě a rozšíření vhodných obrobků.

Aplikace brnění

Díky své nízké hustotě a vysoké pevnosti a tvrdosti slouží TiB2 jako účinný balistický pancéřový materiál pro ochranu osob i vozidel před hrozbami.

Specifikace dlaždic TiB2 Armor

Konstrukce trupu vozidla s TiB2

• Dlaždice ERA pro obrněná vozidla
• Podklad z oceli RHA a kovových vláken
• Kompozitní sendvičové konstrukce s čelními deskami z CFRP

Vložky pro osobní neprůstřelnou vestu

• Keramické desky s pevným povrchem
• Měkké pancéřové vesty s vrstvami látky
• Možnost více zásahů díky toleranci poškození

Výhody

• 2x nižší hustota ve srovnání s hliníkovým pancířem
• Nižší cena a hmotnost než u výrobků z SiC
• Ochrana proti více zásahům na rozdíl od monolitické keramiky

TiB2 tak umožňuje lehčí a zároveň silnější pancéřování pro přenosné vybavení nebo bojová vozidla.

Aplikace tepelného managementu

Kombinace vynikající tepelné vodivosti spolu s vysokou teplotní stabilitou a odolností činí diborid titanu užitečným pro součásti tepelného managementu v extrémních teplotách a korozivních prostředích.

Rozptylovače tepla TiB2

Odvětví a použití

• Mikroelektronika - chladiče integrovaných obvodů s rozhraním Cu/Al
• Koncentrované solární elektrárny - Centrální přijímače
• Kosmické lodě - spalovací komory, raketové trysky
• Jaderná energetika - Komponenty obklopující plazmu v reaktorech tokamak

Výhody oproti jiným materiálům

• Lehčí než chladiče na bázi Cu/Mo
• Odolávají vyšším teplotám než slitiny Al nebo SS.
• Lepší vodivost a inertnost oproti karbidům
• Nižší cena než diamant nebo pyrolytický grafit

Diborid titanu tak poskytuje tepelné vlastnosti podobné kompozitům pro řízení tepelných toků ve vysoce výkonných systémech.

Kompozity s kovovou matricí a keramické kompozity

Díky vysokému poměru pevnosti a hustoty a chemické snášenlivosti je diborid titaničitý atraktivním doplňkem pro výrobu kovových, intermetalických a keramických kompozitních materiálů.

Kompozity s kovovou matricí vyztužené TiB2

20-40% objemové frakce TiB2 se obvykle přidávají, aby se dosáhlo významného zlepšení.

Keramické kompozity TiB2

TiB2 má vynikající kompatibilitu s další tvrdou keramikou, což umožňuje výrobu kompozitů s vlastnostmi na míru.

Výhody

• Zvýšená pevnost při vysokých teplotách
• Snížení hustoty při současném zvýšení tuhosti
• Vylepšená tvrdost pro použití při opotřebení
• Lepší tepelná vodivost dílů s horkým profilem

Srovnávací hodnocení Prášek diboridu titaničitého

Diborid titaničitý má atraktivní vlastnosti, ale musí být vybrán na základě požadavků aplikace a cenových omezení. Zde je porovnání TiB2 s alternativami:

Srovnání s materiály nástrojů

Diborid titanu dosahuje optimální rovnováhy mezi tvrdostí a teplotními vlastnostmi za nižší cenu.

Srovnání s keramikou Armor

Pro projekty pancéřování, které jsou citlivé na rozpočet, ale přesto jsou náročné na výkon, poskytuje TiB2 ekonomickou ochranu.

Srovnání se žáruvzdornými kovy

Diborid titaničitý v některých tepelných a fyzikálních vlastnostech příznivě konkuruje kovům pro ultravysoké teploty.

Pečlivá analýza provozních podmínek pomáhá určit, zda TiB2 poskytuje dostatečnou výhodu oproti jiným materiálům s ohledem na rozdíly v nákladech.

Výhody a omezení TiB2 prášku

Stejně jako jiné pokročilé materiály nabízí diborid titanu významné výhody, ale představuje také určité výzvy, pokud jde o použití a manipulaci:

Diborid titaničitý - výhody

• Extrémní tvrdost pro odolnost proti opotřebení
• Vysoká pevnost při různých teplotách
• Odolává tepelným šokům a cyklování
• Chemicky inertní v kyselém/alkalickém prostředí
• Umožňuje použití lehčího pancíře a motorů
• Úspornější než diamant, cBN atd.

Diborid titaničitý - nevýhody

• Křehký materiál se špatnou odolností proti poškození
• náchylnost k odštípnutí při obrábění nebo nárazech
• Vyžaduje zpracování při vysoké teplotě
• Obtížné spojování s kovy nebo keramikou
• Při teplotách nad 1000 °C rychle oxiduje
• Omezení dodavatelů a vysoké náklady

Strategie zmírňování dopadů

• Použití vhodných nátěrů pro ochranu proti oxidaci a mazání
• Volba beztlakého vs. fúzního spékání pro zachování nanostruktury
• Použití výztuh z tvárné fáze, jako je Ni, Cu, pro zvýšení houževnatosti.
• Použití vhodných lepicích vrstev nebo sklonů pro spojování
• Využití kompozitních materiálů ke kompenzaci vnitřní křehkosti

Selektivní využití diboridu titaničitého tam, kde jeho schopnosti převažují nad omezeními, přináší optimální výkon.

FAQ

Zde jsou odpovědi na některé časté dotazy týkající se prášku diboridu titaničitého:

Co je prášek diboridu titaničitého?

Prášek diboridu titanu (TiB2) je keramický materiál složený z titanu a boru. Je známý svou výjimečnou tvrdostí a vysokým bodem tání.

Jaké jsou hlavní vlastnosti prášku diboridu titaničitého?

Prášek diboridu titaničitého se vyznačuje vysokou tvrdostí, vynikající odolností proti opotřebení, vysokým bodem tání (přibližně 2980 °C nebo 5396 °F) a dobrou elektrickou vodivostí.

Jaké jsou běžné aplikace prášku diboridu titaničitého?

Prášek diboridu titaničitého se používá v různých aplikacích, včetně řezných nástrojů, pancéřových materiálů, povlaků odolných proti opotřebení a jako výztužný materiál v kompozitech.

Je prášek diboridu titaničitého toxický nebo nebezpečný?

Prášek diboridu titaničitého je při správném zacházení obecně považován za bezpečný. Stejně jako s mnoha jinými jemnými prášky je však třeba s ním zacházet opatrně, aby nedošlo k vdechnutí nebo kontaktu s pokožkou. V průmyslovém prostředí je třeba dodržovat příslušná bezpečnostní opatření.

Lze použít diborid titaničitý v 3D tisku?

Ano, prášek diboridu titaničitého se používá v oblasti aditivní výroby, včetně 3D tisku. Lze jej použít k výrobě pevných a otěruvzdorných dílů a součástí.

Jak se vyrábí prášek diboridu titaničitého?

Prášek diboridu titaničitého se obvykle vyrábí procesem zvaným karbotermická redukce, při němž oxid titaničitý a oxid boritý reagují za vysokých teplot v přítomnosti uhlíku.

Jaké jsou výhody použití diboridu titaničitého v řezných nástrojích?

Diborid titanu je známý svou tvrdostí a odolností proti opotřebení, což z něj činí vynikající materiál pro řezné nástroje. Dokáže udržet ostré hrany po delší dobu, což snižuje potřebu časté výměny nástrojů.

Je prášek diboridu titaničitého drahý?

Prášek diboridu titaničitého může být ve srovnání s jinými materiály relativně drahý kvůli svým jedinečným vlastnostem a výrobnímu procesu. Cena se může lišit v závislosti na čistotě a velikosti částic.

Lze diborid titaničitý v prášku použít v letectví a kosmonautice?

Ano, prášek diboridu titanu se používá v letectví a kosmonautice, zejména pro součásti, které vyžadují vysokou teplotu a odolnost proti opotřebení, jako jsou lopatky turbín a trysky.

Je prášek diboridu titaničitého elektricky vodivý?

Ano, diborid titaničitý je elektricky vodivý, a proto je vhodný pro aplikace, kde se vyžaduje jak tvrdost, tak elektrická vodivost.

znát více procesů 3D tisku