Diboruro de titanio en polvo

El diboruro de titanio (TiB2) es un material cerámico avanzado con una combinación única de propiedades que lo hacen adecuado para aplicaciones exigentes en industrias como la aeroespacial, defensa, automoción y fabricación. Este artículo ofrece una visión general de diboruro de titanio en polvoLa tecnología, sus características fundamentales, sus métodos de producción y sus usos actuales y emergentes en diversos sectores.

Descripción general del polvo de diboruro de titanio

El diboruro de titanio es un compuesto cerámico refractario formado por titanio y boro. Su fórmula química es TiB2. He aquí un rápido vistazo a algunas de las principales características de este avanzado material:

Propiedades clave:

• Dureza extrema - 9-9,5 en la escala de Mohs
• Alta resistencia a temperatura ambiente y elevada
• Excelente conductividad térmica y eléctrica
• Bajo coeficiente de dilatación térmica
• Buena resistencia a la corrosión y a la oxidación
• Alta resistencia a los ataques químicos
• Baja densidad - 4,5 g/cm3

Métodos de producción:

• Síntesis autopropagada a alta temperatura (SHS)
• Reacción del dióxido de titanio y el carburo de boro
• Reducción de dióxido de titanio y óxido de boro
• Otros métodos como CVD, sol-gel, etc.

Formas comunes:

• Polvo
• Componentes prensados en caliente
• Recubrimientos por pulverización térmica
• Formulaciones compuestas

Aplicaciones industriales:

• Herramientas de corte y piezas de desgaste
• Componentes del motor
• Sistemas de gestión térmica
• Sistemas de blindaje balístico
• Aplicaciones nucleares -Electrónica y sensores
• Nuevos usos de la impresión 3D

Estas propiedades excepcionales se deben a la estructura cristalina, la estequiometría y las condiciones de procesamiento utilizadas para sintetizar el diboruro de titanio. Veamos estos aspectos con más detalle:

Composición y estructura cristalina

El diboruro de titanio tiene una red cristalina hexagonal simple en la que se alternan planos de átomos de titanio con redes de boro similares a las del grafito. Esta disposición da lugar a unas características eléctricas, térmicas y mecánicas únicas.

Composición elemental

El polvo de diboruro de titanio tiene la siguiente composición elemental por porcentaje en peso:

• Titanio - 69.96%
• Boro - 30.04%

Esta precisa proporción molar 2:1 de titanio y boro permite la formación del compuesto estequiométrico TiB2 necesario para obtener unas propiedades óptimas.

Estructura cristalina

Las dimensiones de la celda unitaria hexagonal del diboruro de titanio son:

• a = b = 3,028 Å
• c = 3,228 Å

Los átomos de titanio y boro tienen un fuerte enlace covalente entre sí. La secuencia de capas confiere al diboruro de titanio una excelente resistencia en el plano basal, al tiempo que permite una conductividad eléctrica similar a la de los metales entre capas.

Parámetros de red

El polvo de diboruro de titanio de alta pureza debe tener los siguientes parámetros de red:

• a = 3.029 Å
• c = 3.229 Å
• relación c/a = 1,066
• Volumen celular = 23,06 Å3

El control minucioso de las dimensiones de la rejilla sirve como control de calidad durante diboruro de titanio en polvo para garantizar la pureza de las fases y evitar la formación de fases secundarias.

Propiedades y características clave

La combinación de estructura cristalina, estequiometría y condiciones de procesado confiere al polvo de diboruro de titanio unas propiedades multifuncionales únicas que lo hacen idóneo para entornos extremos.

Propiedades mecánicas

La extrema dureza, alta resistencia y moderada tenacidad a la fractura del diboruro de titanio le permiten soportar condiciones de alto desgaste, abrasión, erosión y carga.

Propiedades físicas

Su naturaleza refractaria y sus propiedades de alta conductividad y baja expansividad permiten al diboruro de titanio soportar temperaturas extremas y ciclos térmicos.

Propiedades químicas

Estos atributos químicos proporcionan a los componentes de diboruro de titanio protección en entornos reactivos y condiciones de proceso.

Esta rara mezcla de características mecánicas, físicas y químicas es lo que hace que el diboruro de titanio sea apreciado para usos especializados.

Métodos de producción para Diboruro de titanio en polvo

El polvo de diboruro de titanio adecuado para estas aplicaciones avanzadas no puede producirse mediante las técnicas convencionales de procesamiento de polvo cerámico. Para sintetizar este compuesto de temperatura ultraelevada se necesitan procesos especializados no basados en el equilibrio.

Síntesis autopropagada a alta temperatura

El método SHS implica reacciones redox altamente exotérmicas entre precursores de titanio y boro para producir TiB2 por encima de 2000°C. Las mezclas de polvo de dióxido de titanio y boro se inflaman al calentarse localmente para mantener un frente de combustión que convierte los reactivos en el producto diboruro de titanio. Las ventajas del SHS incluyen un tiempo de formación corto, síntesis en un solo paso y polvo fino de 20-50 nm de tamaño de cristalito.

Procesos de reducción

El polvo de TiB2 puede fabricarse reduciendo la materia prima TiO2 con fuentes de boro/carbono a 1800-2200°C por diversos métodos:

• Reducción metalotérmica con magnesio
• Reducción silicotérmica con óxido de silicio
• Reducción aluminotérmica mediante aluminio
• Reducción carbotérmica y borotérmica en vacío

Otros procesos

También se están estudiando otras técnicas, como la síntesis sol-gel, CVD y plasma, para preparar polvo de diboruro de titanio a nanoescala y ultrafino.

Un tratamiento posterior adecuado mediante desaglomeración, molienda y clasificación garantiza la disponibilidad de tamaños y distribuciones granulométricas específicos para cada aplicación.

Especificaciones del producto

El polvo de diboruro de titanio para usos comerciales y de investigación está disponible en variedades estandarizadas y personalizadas para satisfacer las necesidades de la aplicación:

Tallas

• Nanopolvo: Tamaño de las partículas < 100 nm
• Polvo ultrafino: Granulometría 0,1 - 1 μm
• Polvo fino: Tamaño de partícula 1-10 μm
• Polvo grueso: Tamaño de las partículas > 10 μm

Morfología

• Partículas esféricas, angulares, escamosas, dendríticas
• Grado de aglomeración

Grados de pureza

• Grado de investigación - >= 92-98% TiB2
• Grado técnico - >= 94% TiB2
• Grado industrial - >= 96-99% TiB2

Superficie

• Superficie baja ~1-5 m2/g
• Superficie elevada 5-25 m2/g

Personalización

• Adiciones de dopantes - Ta, Nb, TiC, etc.
• Formulaciones compuestas
• Distribución granulométrica deseada

Comprender los objetivos de la aplicación orienta la selección del grado de polvo adecuado: la pureza, la densidad y las propiedades de las partículas repercuten directamente en la calidad del producto acabado.

Precios

Precio del diboruro de titanio en polvo

Los precios varían en función de:

• Grado de pureza
• Escala de producción
• Características de las partículas
• Rareza de las especificaciones
• Volumen de compras

Factores que influyen en el precio:

• Costes de materias primas
• Transformación de alto consumo energético
• Técnicas especializadas de no equilibrio
• Múltiples pasos posteriores al tratamiento
• Protocolo especial de manipulación y envío

Enfoques de reducción de costes:

• Cambio a polvo de menor grado de pureza
• Aumentar la cantidad de compra para obtener descuentos
• Comprar mezclas de precursores de Ti y B en lugar de TiB2 en polvo

Proveedores

Como material cerámico de ingeniería avanzada, hay pocos productores a gran escala de polvo de diboruro de titanio en todo el mundo. Algunos de los principales proveedores son:

Principales fabricantes

• H.C. Starck - Alemania
• Materion - EE.UU.
• 3M - US
• Japan New Metals Co. - Japón

Otros proveedores

• Stanford Advanced Materials - EE.UU.
• Edgetech Industries - Reino Unido
• Micron Metals - EE.UU.
• Nanoshel - EE.UU.

Aplicaciones del diboruro de titanio

La excepcional combinación de propiedades del polvo de diboruro de titanio lo hace adecuado para aplicaciones especializadas en múltiples sectores industriales:

Aplicaciones del TiB2 en herramientas de corte

La extrema dureza, alta resistencia, buena conductividad térmica y resistencia química del diboruro de titanio lo convierten en un candidato excelente para fabricar plaquitas para herramientas de corte y otros componentes de desgaste.

Especificaciones de la herramienta de corte TiB2

Condiciones de funcionamiento de la herramienta TiB2

• Mecanizado de alta velocidad > 100 m/min
• Corte interrumpido con choques mecánicos y vibraciones
• Entornos de mecanizado con poco refrigerante o en seco

Apto para mecanizado

• Materiales altamente abrasivos - CFRP, MMC, aleaciones de níquel
• Aluminio, titanio y superaleaciones de calidad aeroespacial
• Aceros templados: para herramientas, inoxidables y superaceros

Ventajas sobre otros materiales para herramientas

• Dureza 4 veces superior a la del carburo de wolframio
• Mejor resistencia al desgaste que las herramientas de alúmina
• Mayor resistencia que las herramientas de cBN a > 700°C
• Mejor inercia química que la cerámica SiC, Si3N4

Productos para herramientas de corte TiB2

• Plaquitas indexables con geometrías complejas
• Fresas y brocas macizas
• Formas de herramientas personalizadas

Así pues, el diboruro de titanio presenta ventajas en los costes de utillaje gracias a una mayor vida útil, una mayor productividad y una ampliación de los materiales de trabajo adecuados.

Aplicaciones de blindaje

Debido a su baja densidad unida a su alta resistencia y dureza, el TiB2 es un eficaz material de blindaje balístico para la protección de personas y vehículos contra amenazas.

Especificaciones de TiB2 Armor Tile

Diseños de cascos de vehículos con TiB2

• Baldosas ERA para vehículos blindados
• Soporte laminado de acero y fibra metálica RHA
• Estructuras sandwich de materiales compuestos con láminas frontales de CFRP

Insertos de protección personal

• Placas cerámicas de cara rígida
• Chalecos blindados blandos con capas de tejido
• Capacidad multigolpe gracias a la tolerancia al daño

Ventajas

• Densidad 2 veces inferior a la de la armadura de alúmina
• Menor coste y peso que los productos de SiC
• Protección multigolpe a diferencia de la cerámica monolítica

De este modo, TiB2 permite soluciones de blindaje más ligeras y resistentes tanto para equipos portátiles como para vehículos de combate.

Aplicaciones de gestión térmica

La combinación de una excelente conductividad térmica junto con la estabilidad y resistencia a altas temperaturas hace que el diboruro de titanio sea útil para piezas de gestión térmica en entornos de temperaturas extremas y corrosivos.

Difusores de calor TiB2

Industrias y usos

• Microelectrónica - Disipadores de calor para circuitos integrados con interfaces de Cu/Al
• Plantas solares de concentración - Receptores centrales
• Naves espaciales - Cámaras de combustión, toberas de cohetes
• Nuclear - Componentes de los reactores tokamak orientados al plasma

Ventajas sobre otros materiales

• Más ligeros que los disipadores de calor de Cu/Mo
• Soportan temperaturas más elevadas que las aleaciones de Al o SS
• Mejor conductividad e inercia que los carburos
• Menor coste que el diamante o el grafito pirolítico

Así, el diboruro de titanio ofrece características térmicas similares a las de los compuestos para gestionar los flujos de calor en sistemas de alta potencia.

Compuestos de matriz metálica y cerámica

Gracias a su elevada relación resistencia/densidad y a su compatibilidad química, el diboruro de titanio resulta muy atractivo para fabricar materiales compuestos metálicos, intermetálicos y cerámicos.

Compuestos de matriz metálica reforzados con TiB2

Normalmente se añaden fracciones de volumen 20-40% de TiB2 para conseguir mejoras significativas.

Compuestos cerámicos de TiB2

El TiB2 tiene una excelente compatibilidad con otras cerámicas duras, lo que permite fabricar compuestos con propiedades a medida.

Beneficios

• Mayor resistencia a altas temperaturas
• Reducción de la densidad y aumento de la rigidez
• Dureza mejorada para aplicaciones de desgaste
• Mejor conductividad térmica para piezas de sección caliente

Evaluación comparativa de Diboruro de titanio en polvo

El diboruro de titanio tiene características atractivas, pero debe seleccionarse en función de los requisitos de la aplicación y las limitaciones de coste. He aquí una ponderación del TiB2 frente a las alternativas:

Comparación con los materiales de las herramientas

El diboruro de titanio consigue un equilibrio óptimo entre dureza y propiedades térmicas a precios más bajos.

Comparación con la cerámica de blindaje

Para proyectos de blindaje sensibles al presupuesto pero orientados al rendimiento, TiB2 proporciona una protección económica.

Comparación con los metales refractarios

El diboruro de titanio compite favorablemente con los metales de ultra alta temperatura en algunas propiedades térmicas y físicas.

Un análisis minucioso de las condiciones de funcionamiento ayuda a determinar si el TiB2 confiere suficientes ventajas sobre otras opciones de material teniendo en cuenta las diferencias de coste.

Ventajas y limitaciones del polvo de TiB2

Al igual que otros materiales avanzados, el diboruro de titanio ofrece importantes ventajas, pero también plantea ciertos retos en cuanto a su uso y manipulación:

Diboruro de titanio - Ventajas

• Dureza extrema para una mayor resistencia al desgaste
• Alta resistencia en toda la gama de temperaturas
• Resiste choques térmicos y ciclos
• Químicamente inerte en ambientes ácidos/alcalinos
• Permite blindajes y motores más ligeros
• Económico en comparación con el diamante, el cBN, etc.

Diboruro de titanio - Desventajas

• Material frágil con escasa tolerancia a los daños
• Propenso a astillarse durante el mecanizado o los impactos
• Requiere procesamiento a alta temperatura
• Difícil de unir con metales o cerámica
• Se oxida rápidamente por encima de 1000°C
• Proveedores restringidos y costes elevados

Estrategias de mitigación

• Aplicar revestimientos adecuados para proteger contra la oxidación y aumentar la lubricidad.
• Optar por la sinterización sin presión frente a la sinterización por fusión para conservar la nanoestructura
• Utilizar refuerzos de fase dúctil como Ni, Cu para mejorar la tenacidad.
• Emplear capas de unión o gradientes adecuados para unir
• Aprovechar los compuestos para compensar la fragilidad intrínseca

La utilización selectiva del diboruro de titanio allí donde sus capacidades superan a sus limitaciones produce un rendimiento óptimo.

PREGUNTAS FRECUENTES

He aquí las respuestas a algunas preguntas frecuentes sobre el polvo de diboruro de titanio:

¿Qué es el polvo de diboruro de titanio?

El polvo de diboruro de titanio (TiB2) es un material cerámico compuesto de titanio y boro. Es conocido por su excepcional dureza y alto punto de fusión.

¿Cuáles son las principales propiedades del polvo de diboruro de titanio?

El polvo de diboruro de titanio se caracteriza por su gran dureza, excelente resistencia al desgaste, alto punto de fusión (aproximadamente 2980°C o 5396°F) y buena conductividad eléctrica.

¿Cuáles son las aplicaciones habituales del polvo de diboruro de titanio?

El polvo de diboruro de titanio se utiliza en diversas aplicaciones, como herramientas de corte, materiales de blindaje, revestimientos resistentes al desgaste y como material de refuerzo en materiales compuestos.

¿Es tóxico o peligroso el polvo de diboruro de titanio?

En general, el polvo de diboruro de titanio se considera seguro si se manipula adecuadamente. Sin embargo, como muchos polvos finos, debe manipularse con cuidado para evitar la inhalación o el contacto con la piel. En entornos industriales deben tomarse las precauciones de seguridad adecuadas.

¿Puede utilizarse polvo de diboruro de titanio en la impresión 3D?

Sí, el polvo de diboruro de titanio se utiliza en el campo de la fabricación aditiva, incluida la impresión 3D. Puede utilizarse para crear piezas y componentes fuertes y resistentes al desgaste.

¿Cómo se produce el polvo de diboruro de titanio?

El polvo de diboruro de titanio suele producirse mediante un proceso denominado reducción carbotérmica, en el que el dióxido de titanio y el óxido de boro reaccionan a altas temperaturas en presencia de carbono.

¿Cuáles son las ventajas de utilizar polvo de diboruro de titanio en las herramientas de corte?

El diboruro de titanio es conocido por su dureza y resistencia al desgaste, lo que lo convierte en un material excelente para herramientas de corte. Puede mantener los bordes afilados durante más tiempo, lo que reduce la necesidad de sustituir las herramientas con frecuencia.

¿Es caro el polvo de diboruro de titanio?

El polvo de diboruro de titanio puede ser relativamente caro en comparación con otros materiales debido a sus propiedades únicas y a su proceso de producción. El coste puede variar en función de la pureza y el tamaño de las partículas.

¿Puede utilizarse polvo de diboruro de titanio en aplicaciones aeroespaciales?

Sí, el polvo de diboruro de titanio se utiliza en aplicaciones aeroespaciales, especialmente para componentes que requieren altas temperaturas y resistencia al desgaste, como álabes de turbina y toberas.

¿El polvo de diboruro de titanio es conductor de la electricidad?

Sí, el diboruro de titanio es conductor de la electricidad, lo que lo hace adecuado para aplicaciones en las que se requiere tanto dureza como conductividad eléctrica.

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