Titandiborid-Pulver

Titandiborid (TiB2) ist ein hochentwickeltes keramisches Material mit einer einzigartigen Kombination von Eigenschaften, die es für anspruchsvolle Anwendungen in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Verteidigung, der Automobilindustrie und der Fertigung geeignet machen. Dieser Artikel bietet einen Überblick über Titandiborid-Pulvereinschließlich der wichtigsten Merkmale, Produktionsmethoden sowie der derzeitigen und künftigen Verwendungen in verschiedenen Sektoren.

Überblick über Titandiborid-Pulver

Titandiborid ist eine feuerfeste keramische Verbindung, die aus Titan und Bor besteht. Seine chemische Formel lautet TiB2. Hier ein kurzer Überblick über einige der wichtigsten Merkmale dieses modernen Materials:

Wichtige Eigenschaften:

• Extreme Härte - 9-9,5 auf der Mohs-Skala
• Hohe Festigkeit bei Raum- und erhöhten Temperaturen
• Ausgezeichnete thermische und elektrische Leitfähigkeit
• Niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient
• Gute Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit
• Hohe Widerstandsfähigkeit gegen chemische Angriffe
• Geringe Dichte - 4,5 g/cm3

Produktionsmethoden:

• Selbstausbreitende Hochtemperatursynthese (SHS)
• Reaktion von Titandioxid und Borkarbid
• Reduktion von Titandioxid und Boroxid
• Andere Methoden wie CVD, Sol-Gel, usw.

Gebräuchliche Formulare:

• Pulver
• Heißgepresste Komponenten
• Thermische Spritzschichten
• Zusammengesetzte Formulierungen

Industrieanwendungen:

• Schneidwerkzeuge und Verschleißteile
• Motorkomponenten
• Wärmemanagement-Systeme
• Ballistische Panzerungssysteme
• Nukleare Anwendungen -Elektronik und Sensoren
• Neue Anwendungen im 3D-Druck

Diese außergewöhnlichen Eigenschaften sind auf die Kristallstruktur, die Stöchiometrie und die Verarbeitungsbedingungen bei der Synthese von Titandiborid zurückzuführen. Sehen wir uns diese Aspekte genauer an:

Zusammensetzung und Kristallstruktur

Titandiborid hat ein einfaches hexagonales Kristallgitter, in dem sich Ebenen aus Titanatomen mit graphitartigen Netzen aus Bor abwechseln. Diese Anordnung führt zu einzigartigen elektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften.

Elementare Zusammensetzung

Titandiboridpulver hat die folgende elementare Zusammensetzung in Gewichtsprozent

• Titan - 69.96%
• Bor - 30.04%

Dieses präzise 2:1-Molverhältnis von Titan zu Bor ermöglicht die Bildung einer stöchiometrischen TiB2-Verbindung, die für optimale Eigenschaften erforderlich ist.

Kristallstruktur

Die Abmessungen der hexagonalen Einheitszelle von Titandiborid sind:

• a = b = 3,028 Å
• c = 3,228 Å

Die Titan- und Boratome gehen eine starke kovalente Bindung miteinander ein. Die schichtweise Anordnung verleiht Titandiborid eine hervorragende Festigkeit in der Basalebene und ermöglicht gleichzeitig eine metallähnliche elektrische Leitfähigkeit über die Schichten hinweg.

Gitterparameter

Hochreines Titandiboridpulver sollte die folgenden Gitterparameter aufweisen:

• a = 3.029 Å
• c = 3.229 Å
• c/a-Verhältnis = 1,066
• Zellvolumen = 23,06 Å3

Die sorgfältige Überwachung der Gitterabmessungen dient als Qualitätskontrolle während Titandiborid-Pulver Synthese, um die Reinheit der Phase zu gewährleisten und die Bildung von Sekundärphasen zu verhindern.

Wichtige Eigenschaften und Merkmale

Die Kombination aus Kristallstruktur, Stöchiometrie und Verarbeitungsbedingungen verleiht dem Titandiboridpulver seine einzigartigen multifunktionalen Eigenschaften, die es für extreme Umgebungen geeignet machen.

Mechanische Eigenschaften

Eigentum	Wert
Härte	28-35 GPa
Bruchzähigkeit	~5 MPa√m
Biegefestigkeit	500-650 MPa
Druckfestigkeit	>2000 MPa
Elastizitätsmodul	515-560 GPa

Aufgrund der extremen Härte, der hohen Festigkeit und der mäßigen Bruchzähigkeit von Titandiborid ist es in der Lage, hohen Verschleiß-, Abrieb-, Erosions- und Belastungsbedingungen standzuhalten.

Physikalische Eigenschaften

Eigentum	Wert
Dichte	4,5 g/cm3
Schmelzpunkt	2980°C
Wärmeleitfähigkeit	60-120 W/mK
Elektrische Leitfähigkeit	107 Ω-1cm-1
Wärmeausdehnungskoeffizient	8,3 x 10-6 K-1

Die feuerfeste Beschaffenheit, die hohe Leitfähigkeit und die geringe Ausdehnungsfähigkeit ermöglichen es Titandiborid, extremen Temperaturen und Temperaturschwankungen standzuhalten.

Chemische Eigenschaften

Parameter	Bewertung
Oxidationsbeständigkeit	Ausgezeichnet bis zu ~1000°C
Korrosionsbeständigkeit	Hochgradig inert, nicht benetzend
Säure-/Alkali-Beständigkeit	Widersteht den meisten Säuren/Basen

Diese chemischen Eigenschaften bieten Titandiborid-Komponenten Schutz in reaktiven Umgebungen und Prozessbedingungen.

Diese seltene Mischung aus mechanischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften macht Titandiborid für spezielle Anwendungen so wertvoll.

Produktionsmethoden für Titandiborid-Pulver

Titandiborid-Pulver, das für solche fortschrittlichen Anwendungen geeignet ist, kann nicht mit herkömmlichen keramischen Pulververfahren hergestellt werden. Für die Synthese dieser Ultrahochtemperaturverbindung sind spezielle Nicht-Gleichgewichtsverfahren erforderlich.

Selbstausbreitende Hochtemperatursynthese

Bei der SHS-Methode kommt es zu stark exothermen Redoxreaktionen zwischen Titan- und Borvorläufern zur Herstellung von TiB2 bei über 2000 °C. Das Gemisch aus Titandioxid- und Borpulver entzündet sich bei lokaler Erwärmung, um eine Verbrennungsfront aufrechtzuerhalten, die die Reaktanten in das Produkt Titandiborid umwandelt. Zu den Vorteilen von SHS gehören die kurze Herstellungszeit, die einstufige Synthese und das feine Pulver mit einer Kristallitgröße von 20-50 nm.

Reduktionsprozesse

TiB2-Pulver kann durch Reduktion von TiO2-Einsatzmaterial mit Bor-/Kohlenstoffquellen bei 1800-2200 °C mit verschiedenen Methoden hergestellt werden:

• Metallothermische Reduktion mit Magnesium
• Silikothermische Reduktion mit Siliziumoxid
• Aluminothermische Reduktion über Aluminium
• Karbothermische und borothermische Reduktion im Vakuum

Andere Prozesse

Weitere Techniken wie Sol-Gel-, CVD- und Plasmasynthese werden ebenfalls für die Herstellung von nanoskaligem und ultrafeinem Titandiboridpulver erforscht.

Eine ordnungsgemäße Nachbearbeitung durch Deagglomeration, Mahlen und Klassieren gewährleistet die Verfügbarkeit anwendungsspezifischer Partikelgrößen und Größenverteilungen.

Produktspezifikationen

Titandiborid-Pulver für kommerzielle und Forschungszwecke ist sowohl in standardisierten als auch in maßgeschneiderten Varianten erhältlich, um den Anwendungsanforderungen gerecht zu werden:

Größen

• Nanopulver: Partikelgröße < 100 nm
• Ultrafeines Pulver: Partikelgröße 0,1 - 1 μm
• Feines Pulver: Partikelgröße 1-10 μm
• Grobes Pulver: Partikelgröße > 10 μm

Morphologie

• Kugelförmige, kantige, flockige, dendritische Partikel
• Grad der Agglomeration

Reinheitsgrade

• Forschungsqualität - >= 92-98% TiB2
• Technische Qualität - >= 94% TiB2
• Industriequalität - >= 96-99% TiB2

Fläche

• Geringe Oberfläche ~1-5 m2/g
• Hohe Oberfläche 5-25 m2/g

Personalisierung

• Dotierungszusätze - Ta, Nb, TiC usw.
• Zusammengesetzte Formulierungen
• Gewünschte Partikelgrößenverteilung

Die Kenntnis der Anwendungsziele ist die Grundlage für die Auswahl der richtigen Pulversorte - Reinheit, Dichte und Partikeleigenschaften wirken sich direkt auf die Qualität des Endprodukts aus.

Preisgestaltung

Titan-Diborid-Pulver Preis

Die Preise variieren je nach:

• Reinheitsgrad
• Umfang der Produktion
• Partikeleigenschaften
• Seltenheit der Spezifikationen
• Kaufvolumen

Preisbeeinflussende Faktoren:

• Kosten für Rohmaterial
• Energieintensive Verarbeitung
• Spezialisierte Nicht-Gleichgewichts-Techniken
• Mehrere Nachbehandlungsschritte
• Besondere Handhabungs- und Versandvorschriften

Ansätze zur Kostenreduzierung:

• Umstellung auf Pulver mit geringerem Reinheitsgrad
• Erhöhte Abnahmemenge zu vergünstigten Preisen
• Kauf von Ti und B-Precursor-Mischungen anstelle von TiB2-Pulver

Anbieter

Da es sich um ein hochentwickeltes keramisches Material handelt, gibt es weltweit nur wenige Großproduzenten von Titandiboridpulver. Einige führende Anbieter sind:

Wichtige Hersteller

• H.C. Starck - Deutschland
• Materion - US
• 3M - US
• Japan New Metals Co. - Japan

Andere Lieferanten

• Stanford Advanced Materials - US
• Edgetech Industries - UK
• Micron Metals - US
• Nanoshel - US

Anwendungen von Titandiborid

Die außergewöhnliche Kombination von Eigenschaften von Titandiborid-Pulver macht es geeignet für spezielle Anwendungen in zahlreichen Industriezweigen:

TiB2-Anwendungen in Schneidwerkzeugen

Aufgrund seiner extremen Härte, hohen Festigkeit, guten Wärmeleitfähigkeit und chemischen Beständigkeit eignet sich Titandiborid hervorragend für die Herstellung von Schneidewerkzeugeinsätzen und anderen Verschleißteilen.

TiB2 Schneidwerkzeug Spezifikationen

Parameter	Wert
Härte	32-35 GPa
Festigkeit bei Querbrüchen	600 MPa
Bruchzähigkeit	4-6 MPa√m
Maximale Betriebstemperatur	800-1000°C

TiB2 Tool Betriebsbedingungen

• Hochgeschwindigkeitsbearbeitung > 100 m/min
• Unterbrochener Schnitt mit mechanischen Stößen und Vibrationen
• Kühlmittelarme oder trockene Bearbeitungsumgebungen

Geeignet für die maschinelle Bearbeitung

• Hochgradig abrasive Materialien - CFK, MMC, Nickellegierungen
• Aluminium, Titan und Superlegierungen in Luft- und Raumfahrtqualität
• Gehärtete Stähle - Werkzeug-, Edel- und Superstahl

Vorteile gegenüber anderen Werkzeugmaterialien

• 4X höhere Härte als Wolframkarbid
• Bessere Verschleißfestigkeit als Werkzeuge aus Aluminiumoxid
• Höhere Festigkeit als cBN-Werkzeuge bei > 700°C
• Bessere chemische Beständigkeit gegenüber SiC, Si3N4-Keramik

TiB2 Cutting Tool Produkte

• Wendeschneidplatten mit komplexen Geometrien
• Solide Schaftfräser und Bohrer
• Benutzerdefinierte Werkzeugformen

Somit bietet Titandiborid Kostenvorteile bei der Werkzeugherstellung durch längere Lebensdauer, höhere Produktivität und mehr geeignete Werkstoffe.

Rüstungsanwendungen

Aufgrund seiner geringen Dichte bei gleichzeitig hoher Festigkeit und Härte dient TiB2 als effizientes ballistisches Panzerungsmaterial für den Schutz von Personen und Fahrzeugen vor Bedrohungen.

TiB2 Armor Tile Technische Daten

Parameter	Wert
Flächendichte	25-40 kg/m2
Härte	28-32 GPa
Biegefestigkeit	> 450 MPa
Ballistische Grenze > 1000 m/s für FSP

Fahrzeugrumpfkonstruktionen mit TiB2

• ERA-Platten für gepanzerte Fahrzeuge
• Rückwand aus RHA-Stahl und Metallfaserlaminat
• Verbundwerkstoff-Sandwichstrukturen mit CFK-Deckschichten

Personal Body Armor Einsätze

• Keramikplatten mit starrer Oberfläche
• Weiche Panzerwesten mit Gewebeschichten
• Mehrschlagfähig dank Schadenstoleranz

Vorteile

• 2X geringere Dichte gegenüber Aluminiumoxidpanzern
• Geringere Kosten und geringeres Gewicht als SiC-Produkte
• Schutz vor Mehrfachschlägen im Gegensatz zu monolithischen Keramiken

TiB2 ermöglicht somit leichtere und dennoch stärkere Panzerungslösungen für tragbare Ausrüstungen oder Kampffahrzeuge.

Thermomanagement-Anwendungen

Die Kombination aus hervorragender Wärmeleitfähigkeit und hoher Temperaturstabilität und -beständigkeit macht Titandiborid zu einem nützlichen Werkstoff für Wärmemanagementteile in Umgebungen mit extremen Temperaturen und korrosiven Einflüssen.

TiB2-Wärmespreizer

Spezifikationen	Werte
Wärmeleitfähigkeit	60-100 W/mK
Maximale Einsatztemperatur	1000°C
CTE	7,6 x 10-6 K-1

Industrien und Verwendungen

• Mikroelektronik - IC-Kühlkörper mit Cu/Al-Schnittstellen
• Konzentrierte Solarkraftwerke - Zentrale Receiver
• Raumfahrzeuge - Brennkammern, Raketendüsen
• Kerntechnik - Plasmabeschichtete Komponenten in Tokamak-Reaktoren

Vorteile gegenüber anderen Materialien

• Leichter als Wärmesenken auf Cu/Mo-Basis
• Widersteht höheren Temperaturen als Al- oder SS-Legierungen
• Bessere Leitfähigkeit und Inertheit als Karbide
• Niedrigere Kosten als Diamant oder pyrolytischer Graphit

Somit bietet Titandiborid kompositartige thermische Eigenschaften für die Steuerung von Wärmeströmen in Hochleistungssystemen.

Metall-Matrix und keramische Verbundwerkstoffe

Aufgrund seines hohen Verhältnisses von Festigkeit zu Dichte und seiner chemischen Verträglichkeit ist Titandiborid ein attraktiver Zusatz für die Herstellung von metallischen, intermetallischen und keramischen Verbundwerkstoffen.

TiB2 verstärkte Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe

Matrix	Verstärkte Eigenschaften
Magnesium	Härte, Steifigkeit, Kriechfestigkeit
Aluminium	Festigkeit, Härte, Verschleißfestigkeit
Titan-Legierungen	Hohe Temperaturbeständigkeit

20-40% Volumenanteile von TiB2 werden in der Regel hinzugefügt, um signifikante Verbesserungen zu erzielen.

TiB2-Keramik-Verbundwerkstoffe

Komponenten	Zweck
SiC, TiB2	Thermische Schutzsysteme
Al2O3, TiB2	Schneidewerkzeuge
ZrB2, TiB2	Elemente des Ofens

TiB2 ist hervorragend mit anderen Hartkeramiken kompatibel und ermöglicht die Herstellung von Verbundwerkstoffen mit maßgeschneiderten Eigenschaften.

Vorteile

• Erhöhte Festigkeit bei hohen Temperaturen
• Geringere Dichte bei gleichzeitiger Erhöhung der Steifigkeit
• Verbesserte Härte für Verschleißanwendungen
• Bessere Wärmeleitfähigkeit für Heißschnittteile

Vergleichende Bewertung von Titandiborid-Pulver

Titandiborid weist attraktive Eigenschaften auf, muss aber je nach Anwendungsanforderungen und Kostenbeschränkungen ausgewählt werden. Hier ist eine Gewichtung von TiB2 im Vergleich zu Alternativen:

Vergleich mit Werkzeugmaterialien

Parameter	TiB2	WC	cBN	PCD
Härte	1.	2.	3.	4.
Bruchzähigkeit	3.	1.	4.	2.
Wärmeleitfähigkeit	2.	4.	3.	1.
Oxidationsbeständigkeit	2.	3.	4.	1.
Kosten	2.	1.	4.	3.

Titandiborid bietet ein optimales Gleichgewicht zwischen Härte und Temperatureigenschaften bei niedrigen Preisen.

Vergleich mit Armor Ceramics

Parameter	TiB2	Al2O3	SiC	B4C
Dichte	2.	4.	3.	1.
Härte	2.	3.	1.	4.
Stärke	2.	3.	1.	4.
Kosten	3.	1.	4.	2.

Für kostenbewusste, aber leistungsorientierte Panzerungsprojekte bietet TiB2 wirtschaftlichen Schutz.

Vergleich mit Refraktärmetallen

Parameter	TiB2	Mo	Ta	Nb
Dichte	1.		3.	2.	4.
Stärke	2.	4.	3.	1.
Schmelzpunkt	3.	2.	1.	4.
Thermische Ausdehnung	1.	3.	4.	2.
Kosten	4.	2.	3.	1.

Titandiborid konkurriert bei einigen thermischen und physikalischen Eigenschaften mit Ultrahochtemperaturmetallen.

Durch eine sorgfältige Analyse der Betriebsbedingungen lässt sich feststellen, ob TiB2 unter Berücksichtigung der Kostenunterschiede einen ausreichenden Vorteil gegenüber anderen Materialien bietet.

Vorteile und Beschränkungen von TiB2-Pulver

Wie andere fortschrittliche Werkstoffe bietet auch Titandiborid erhebliche Vorteile, birgt aber auch gewisse Herausforderungen hinsichtlich Verwendung und Handhabung:

Titandiborid - Vorteile

• Extreme Härte für Verschleißfestigkeit
• Hohe Festigkeit über einen weiten Temperaturbereich
• Widersteht Temperaturschocks und Temperaturschwankungen
• Chemisch inert in sauren/alkalischen Umgebungen
• Ermöglicht leichtere Panzerung und Motoren
• Kostengünstig im Vergleich zu Diamant, cBN, etc.

Titandiborid - Nachteile

• Sprödes Material mit geringer Schadenstoleranz
• Anfällig für Ausbrüche bei der Bearbeitung oder bei Stößen
• Erfordert Hochtemperaturverarbeitung
• Schwierig mit Metallen oder Keramik zu verbinden
• Oxidiert schnell über 1000°C
• Eingeschränkte Lieferanten und hohe Kosten

Minderungsstrategien

• Auftragen geeigneter Beschichtungen für Oxidationsschutz und Schmierfähigkeit
• Entscheiden Sie sich für druckloses oder Schmelzsintern, um die Nanostruktur zu erhalten
• Verwendung von Verstärkungen aus duktilen Phasen wie Ni, Cu zur Verbesserung der Zähigkeit
• Geeignete Klebeschichten oder Gradienten für die Verbindung verwenden
• Einsatz von Verbundwerkstoffen zum Ausgleich der inneren Sprödigkeit

Der selektive Einsatz von Titandiborid dort, wo seine Fähigkeiten die Einschränkungen überwiegen, führt zu einer optimalen Leistung.

FAQ

Hier finden Sie Antworten auf einige häufig gestellte Fragen zu Titandiboridpulver:

Was ist Titandiboridpulver?

Titandiborid (TiB2)-Pulver ist ein keramisches Material, das aus Titan und Bor besteht. Es ist bekannt für seine außergewöhnliche Härte und seinen hohen Schmelzpunkt.

Was sind die wichtigsten Eigenschaften von Titandiboridpulver?

Titandiboridpulver zeichnet sich durch hohe Härte, hervorragende Verschleißfestigkeit, einen hohen Schmelzpunkt (ca. 2980 °C) und gute elektrische Leitfähigkeit aus.

Was sind die häufigsten Anwendungen von Titandiboridpulver?

Titandiborid-Pulver wird in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, z. B. für Schneidwerkzeuge, Panzerungsmaterialien, verschleißfeste Beschichtungen und als Verstärkungsmaterial in Verbundwerkstoffen.

Ist Titandiboridpulver giftig oder gefährlich?

Titandiboridpulver gilt im Allgemeinen als sicher, wenn es richtig gehandhabt wird. Wie viele andere feine Pulver sollte es jedoch mit Vorsicht gehandhabt werden, um ein Einatmen oder Hautkontakt zu vermeiden. In industriellen Umgebungen sollten angemessene Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden.

Kann Titandiboridpulver für den 3D-Druck verwendet werden?

Ja, Titandiboridpulver wird im Bereich der additiven Fertigung, einschließlich des 3D-Drucks, verwendet. Es kann zur Herstellung starker und verschleißfester Teile und Komponenten verwendet werden.

Wie wird Titandiboridpulver hergestellt?

Titandiboridpulver wird in der Regel durch ein Verfahren namens carbothermische Reduktion hergestellt, bei dem Titandioxid und Boroxid bei hohen Temperaturen in Gegenwart von Kohlenstoff umgesetzt werden.

Was sind die Vorteile der Verwendung von Titandiboridpulver in Schneidwerkzeugen?

Titandiborid ist für seine Härte und Verschleißfestigkeit bekannt, was es zu einem hervorragenden Material für Schneidwerkzeuge macht. Es kann seine scharfen Kanten über einen längeren Zeitraum beibehalten, so dass die Werkzeuge seltener ausgetauscht werden müssen.

Ist Titandiboridpulver teuer?

Titandiboridpulver kann im Vergleich zu anderen Materialien aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften und des Produktionsprozesses relativ teuer sein. Die Kosten können je nach Reinheit und Partikelgröße variieren.

Kann Titandiboridpulver in der Luft- und Raumfahrt verwendet werden?

Ja, Titandiboridpulver wird in der Luft- und Raumfahrt verwendet, insbesondere für Bauteile, die eine hohe Temperatur- und Verschleißfestigkeit erfordern, wie Turbinenschaufeln und Düsen.

Ist Titandiboridpulver elektrisch leitfähig?

Ja, Titandiborid ist elektrisch leitfähig und eignet sich daher für Anwendungen, bei denen sowohl Härte als auch elektrische Leitfähigkeit erforderlich sind.

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