Titanium diboride poeder

Titaandiboride (TiB2) is een geavanceerd keramisch materiaal met een unieke combinatie van eigenschappen die het geschikt maken voor veeleisende toepassingen in industrieën zoals lucht- en ruimtevaart, defensie, de auto-industrie en fabricage. Dit artikel geeft een overzicht van titaniumdiboridepoedermet inbegrip van de belangrijkste kenmerken, productiemethoden en huidige en opkomende toepassingen in verschillende sectoren.

Overzicht van titanium diboride poeder

Titaandiboride is een vuurvaste keramische verbinding die bestaat uit titanium en boor. De chemische formule is TiB2. Hier volgt een korte blik op enkele van de belangrijkste kenmerken van dit geavanceerde materiaal:

Belangrijkste eigenschappen:

• Extreme hardheid - 9-9,5 op de schaal van Mohs
• Hoge sterkte bij kamertemperatuur en verhoogde temperaturen
• Uitstekende thermische en elektrische geleidbaarheid
• Lage thermische uitzettingscoëfficiënt
• Goede corrosie- en oxidatieweerstand
• Hoge weerstand tegen chemische aantasting
• Lage dichtheid - 4,5 g/cm3

Productiemethoden:

• Zelfproducerende synthese bij hoge temperatuur (SHS)
• Reactie van titaandioxide en boorcarbide
• Reductie van titaandioxide en booroxide
• Andere methoden zoals CVD, sol-gel, enz.

Veel voorkomende vormen:

• Poeder
• Warmgeperste onderdelen
• Thermische spuitcoatings
• Samengestelde formuleringen

Industriële toepassingen:

• Snijgereedschappen en slijtdelen
• Motoronderdelen
• Warmtebeheersystemen
• Ballistische pantsersystemen
• Nucleaire toepassingen -Elektronica en sensoren
• Opkomende toepassingen in 3D printen

Deze uitzonderlijke eigenschappen komen voort uit de kristalstructuur, de stoichiometrie en de verwerkingsomstandigheden die worden gebruikt om titaniumdiboride te synthetiseren. Laten we deze aspecten in meer detail bekijken:

Samenstelling en kristalstructuur

Titaandiboride heeft een eenvoudig hexagonaal kristalrooster waarin vlakken van titaniumatomen worden afgewisseld met grafietachtige netten van boor. Deze ordening zorgt voor unieke elektrische, thermische en mechanische eigenschappen.

Elementaire samenstelling

Titaandiboridepoeder heeft de volgende elementaire samenstelling in gewichtspercentage:

• Titanium - 69.96%
• Boor - 30.04%

Deze precieze 2:1 molaire verhouding van titaan en boor maakt de vorming mogelijk van de stoichiometrische TiB2-verbinding die nodig is voor optimale eigenschappen.

Kristalstructuur

De hexagonale celafmetingen van titaniumdiboride zijn:

• a = b = 3,028 Å
• c = 3,228 Å

De titaan- en booratomen hebben een sterke covalente onderlinge binding. De gelaagde opeenvolging geeft titanium diboride een uitstekende sterkte aan het basisvlak terwijl het ook een metaalachtige elektrische geleiding over de lagen mogelijk maakt.

Rasterparameters

Poeder van zeer zuiver titaniumdiboride moet de volgende roosterparameters hebben:

• a = 3.029 Å
• c = 3.229 Å
• c/a-verhouding = 1,066
• Celvolume = 23,06 Å3

Zorgvuldige controle van de rastermaten dient als kwaliteitscontrole tijdens titaniumdiboridepoeder synthese om de zuiverheid van de fase te garanderen en de vorming van secundaire fasen tegen te gaan.

Belangrijkste eigenschappen en kenmerken

De combinatie van kristalstructuur, stoichiometrie en verwerkingsomstandigheden geeft titaniumdiboridepoeder zijn unieke multifunctionele eigenschappen waardoor het zeer geschikt is voor extreme omgevingen.

Mechanische eigenschappen

Eigendom	Waarde
Hardheid	28-35 GPa
Breuktaaiheid	~5 MPa√m
Buigsterkte	500-650 MPa
Druksterkte	>2000 MPa
Young-modulus	515-560 GPa

Door de extreme hardheid, hoge sterkte en matige breuktaaiheid van titaniumdiboride is het bestand tegen hoge slijtage, schuring, erosie en belasting.

Fysieke eigenschappen

Eigendom	Waarde
Dikte	4,5 g/cm3
Smeltpunt	2980°C
Warmtegeleiding	60-120 W/mK
Elektrische geleiding	107 Ω-1cm-1
Thermische expansiecoëfficiënt	8,3 x 10-6 K-1

Dankzij de vuurvaste aard, hoge geleidbaarheid en lage expansiviteit kan titaniumdiboride thermische extremen en thermische cycli verdragen.

Chemische eigenschappen

Parameter	Beoordeling
Oxidatie weerstand	Uitstekend tot ~1000°C
Corrosieweerstand	Zeer inert, niet bevochtigend
Zuur- en alkalibestendigheid	Bestand tegen de meeste zuren/basen

Deze chemische eigenschappen bieden titanium diboride componenten bescherming in reactieve omgevingen en procesomstandigheden.

Deze zeldzame mix van mechanische, fysische en chemische eigenschappen maakt titanium diboride waardevol voor gespecialiseerde toepassingen.

Productiemethoden voor Titanium diboride poeder

Titaandiboridepoeder dat geschikt is voor dergelijke geavanceerde toepassingen kan niet worden geproduceerd met conventionele keramische poederverwerkingstechnieken. Er zijn speciale niet-evenwichtsprocessen nodig om deze verbinding bij ultrahoge temperaturen te synthetiseren.

Zelfproducerende synthese bij hoge temperatuur

Bij de SHS-methode vinden zeer exotherme redoxreacties plaats tussen titaan- en boorvoorlopers om TiB2 te produceren boven 2000 °C. Poedermengsels van titaandioxide en boor ontbranden bij plaatselijke verhitting om een verbrandingsfront in stand te houden dat de reactanten omzet in het product titaandiboride. Voordelen van SHS zijn onder andere een korte vormingstijd, synthese in één stap en een fijn poeder met een kristallietgrootte van 20-50 nm.

Reductieprocessen

TiB2 poeder kan worden vervaardigd door TiO2 grondstof te reduceren met boor/koolstofbronnen bij 1800-2200°C door middel van verschillende methoden:

• Metallotherme reductie met magnesium
• Silicothermische reductie met siliciumoxide
• Aluminothermische reductie via aluminium
• Carbothermische en borothermische reductie in vacuüm

Andere processen

Aanvullende technieken zoals sol-gel, CVD en plasmasynthese worden ook onderzocht voor het bereiden van nanoschaal en ultrafijn titaniumdiboridepoeder.

Een goede nabewerking via deagglomeratie, malen en classificeren garandeert de beschikbaarheid van toepassingsspecifieke deeltjesgroottes en grootteverdelingen.

Productspecificaties

Titaandiboridepoeder voor commercieel en onderzoeksgebruik is verkrijgbaar in zowel gestandaardiseerde als aangepaste variëteiten om aan de toepassingsbehoeften te voldoen:

Maten

• Nanopoeder: Deeltjesgrootte < 100 nm
• Ultrafijn poeder: Deeltjesgrootte 0,1 - 1 μm
• Fijn poeder: Deeltjesgrootte 1-10 μm
• Grof poeder: Deeltjesgrootte > 10 μm

Morfologie

• Bolvormige, hoekige, schilferige, dendritische deeltjes
• Agglomeratiegraad

Zuiverheidsgraden

• Onderzoekskwaliteit - >= 92-98% TiB2
• Technische kwaliteit - >= 94% TiB2
• Industriële kwaliteit - >= 96-99% TiB2

Oppervlakte

• Laag oppervlak ~1-5 m2/g
• Hoog oppervlak 5-25 m2/g

Maatwerk

• Dopant toevoegingen - Ta, Nb, TiC, enz.
• Samengestelde formuleringen
• Gewenste deeltjesgrootteverdeling

De zuiverheid, dichtheid en deeltjeseigenschappen hebben een directe invloed op de kwaliteit van het eindproduct.

Prijzen

Titanium diboride poeder prijs

Prijzen variëren op basis van:

• Zuiverheidsgraad
• Schaal van productie
• Deeltjeskarakteristieken
• Zeldzaamheid van specificaties
• Inkoopvolume

Prijsbeïnvloedende factoren:

• Grondstofkosten
• Energie-intensieve verwerking
• Gespecialiseerde niet-evenwichtstechnieken
• Meerdere stappen na de behandeling
• Speciaal behandelings- en verzendprotocol

Benaderingen voor kostenverlaging:

• Overschakelen op poeder met een lagere zuiverheidsgraad
• Grotere inkoop voor lagere prijzen
• Ti en B-precursormixen kopen in plaats van TiB2-poeder

Leveranciers

Als geavanceerd, technisch keramisch materiaal zijn er wereldwijd maar weinig grootschalige producenten van titaniumdiboridepoeder. Enkele toonaangevende leveranciers zijn:

Grote fabrikanten

• H.C. Starck - Duitsland
• Materion - VS
• 3M - VS
• Japan New Metals Co - Japan

Andere leveranciers

• Stanford Advanced Materials - VS
• Edgetech Industries - België
• Micron Metals - VS
• Nanoshel - VS

Toepassingen van titaandiboride

De uitzonderlijke combinatie van eigenschappen van titaniumdiboridepoeder maakt het geschikt voor gespecialiseerde toepassingen in verschillende industriële sectoren:

TiB2-toepassingen in snijgereedschappen

De extreme hardheid, hoge sterkte, goede thermische geleidbaarheid en chemische bestendigheid van titaandiboride maken het een uitstekende kandidaat voor het maken van snijgereedschapinzetstukken en andere slijtageonderdelen.

Specificaties TiB2 snijgereedschap

Parameter	Waarde
Hardheid	32-35 GPa
Dwarsbreuksterkte	600 MPa
Breuktaaiheid	4-6 MPa√m
Maximale gebruikstemperatuur	800-1000°C

Werkomstandigheden TiB2-gereedschap

• Verspaning met hoge snelheid > 100 m/min
• Onderbroken snijden met mechanische schokken en trillingen
• Omgevingen met weinig koelmiddel of droge bewerkingsomgeving

Geschikt voor machinale bewerking

• Zeer schurende materialen - CFRP, MMC's, nikkellegeringen
• Aluminium, titanium en superlegeringen van ruimtevaartkwaliteit
• Gehard staal - gereedschap, roestvrij staal en superstaal

Voordelen ten opzichte van andere gereedschapsmaterialen

• 4X hogere hardheid dan wolfraamcarbide
• Betere slijtvastheid dan aluminiumoxide gereedschap
• Hogere sterkte dan cBN-gereedschappen bij > 700°C
• Betere chemische inertie in vergelijking met keramiek SiC, Si3N4

TiB2 Snijgereedschap Producten

• Indexeerbare inzetstukken met complexe geometrieën
• Massieve frezen en boren
• Aangepaste gereedschapsvormen

Zo toont titanium diboride kostenvoordelen voor gereedschap via een langere levensduur, hogere productiviteit en meer geschikte werkmaterialen.

Pantsertoepassingen

Dankzij de lage dichtheid in combinatie met een hoge sterkte en hardheid, dient TiB2 als een efficiënt ballistisch pantsermateriaal voor de bescherming van zowel personen als voertuigen tegen bedreigingen.

TiB2 pantsertegel specificaties

Parameter	Waarde
Areale dichtheid	25-40 kg/m2
Hardheid	28-32 GPa
Buigsterkte	> 450 MPa
Ballistische limiet > 1000 m/s voor FSP's

Rompontwerpen voor voertuigen met TiB2

• ERA-tegels voor gepantserde voertuigen
• RHA staal en vezelmetaal laminaat achterzijde
• Samengestelde sandwichconstructies met CFRP dekplaten

Inzetstukken lichaamspantser personeel

• Stijve keramische platen
• Zachte pantservesten met stoflagen
• Geschikt voor meerdere slagen dankzij schadetolerantie

Voordelen

• 2X lagere dichtheid dan aluminiumoxide pantser
• Lagere kosten en gewicht dan SiC-producten
• Bescherming tegen meerdere slagen in tegenstelling tot monolithisch keramiek

TiB2 maakt dus lichtere maar sterkere pantseroplossingen mogelijk voor zowel draagbare uitrusting als gevechtsvoertuigen.

Toepassingen voor thermisch beheer

De combinatie van uitstekende thermische geleidbaarheid en hoge temperatuurstabiliteit en weerstand maakt titanium diboride nuttig voor thermische managementonderdelen in omgevingen met extreme temperaturen en corrosie.

TiB2-warmteverspreiders

Specificaties	Waarden
Warmtegeleiding	60-100 W/mK
Max. gebruikstemperatuur	1000°C
CTE	7,6 x 10-6 K-1

Industrieën en toepassingen

• Micro-elektronica - IC-warmteputten met Cu/Al-interfaces
• Geconcentreerde zonnecentrales - Centrale ontvangers
• Ruimtevaartuigen - Verbrandingskamers, raketstraalpijpen
• Nucleair - Plasma tegenover componenten in tokamakreactoren

Voordelen ten opzichte van andere materialen

• Lichter dan koellichamen op basis van Cu/Mo
• Bestand tegen hogere temperaturen dan Al- of SS-legeringen
• Betere geleidbaarheid en inertie ten opzichte van carbiden
• Lagere kosten dan diamant of pyrolytisch grafiet

Zo levert titanium diboride composietachtige thermische eigenschappen voor het beheer van warmtestromen in krachtige systemen.

Metaal-matrix en keramische composieten

Door de hoge sterkte/dichtheidsverhouding in combinatie met chemische compatibiliteit is titaniumdiboride een aantrekkelijke toevoeging voor het maken van metalen, intermetallische en keramische composietmaterialen.

TiB2 versterkte metaalmatrixcomposieten

Matrix	Eigenschappen versterkt
Magnesium	Hardheid, stijfheid, kruipweerstand
Aluminium	Sterkte, hardheid, slijtvastheid
Titanium legeringen	Sterkte bij hoge temperaturen

20-40% volumefracties TiB2 worden meestal toegevoegd om significante verbeteringen te bereiken.

TiB2 keramische composieten

Componenten	Doel
SiC, TiB2	Thermische beveiligingssystemen
Al2O3, TiB2	Snijgereedschappen
ZrB2, TiB2	Ovenelementen

TiB2 heeft een uitstekende compatibiliteit met andere harde keramiek, waardoor composieten met op maat gemaakte eigenschappen gemaakt kunnen worden.

Voordelen

• Verhoogde sterkte bij hoge temperaturen
• Verminderde dichtheid terwijl stijfheid wordt verhoogd
• Verbeterde hardheid voor slijtagetoepassingen
• Betere thermische geleidbaarheid voor onderdelen met hete doorsnede

Vergelijkende evaluatie van Titanium diboride poeder

Titaandiboride heeft aantrekkelijke eigenschappen, maar moet geselecteerd worden op basis van de toepassingseisen en kostenbeperkingen. Hier volgt een weging van TiB2 ten opzichte van alternatieven:

Vergelijking met gereedschapsmaterialen

Parameter	TiB2	WC	cBN	PCD
Hardheid	1e	2e	3e	4e
Breuktaaiheid	3e	1e	4e	2e
Warmtegeleiding	2e	4e	3e	1e
Oxidatie weerstand	2e	3e	4e	1e
Kosten	2e	1e	4e	3e

Titanium diboride biedt een optimale balans tussen hardheid en temperatuureigenschappen tegen een lagere prijs.

Vergelijking met pantser keramiek

Parameter	TiB2	Al2O3	SiC	B4C
Dikte	2e	4e	3e	1e
Hardheid	2e	3e	1e	4e
Kracht	2e	3e	1e	4e
Kosten	3e	1e	4e	2e

Voor budgetgevoelige maar prestatiegerichte pantserprojecten biedt TiB2 economische bescherming.

Vergelijking met vuurvaste metalen

Parameter	TiB2	ma	Ta	Nb
Dikte	1e		3e	2e	4e
Kracht	2e	4e	3e	1e
Smeltpunt	3e	2e	1e	4e
Thermische expansie	1e	3e	4e	2e
Kosten	4e	2e	3e	1e

Titaandiboride concurreert op sommige thermische en fysische eigenschappen gunstig met metalen voor ultrahoge temperaturen.

Een zorgvuldige analyse van de bedrijfsomstandigheden helpt om te bepalen of TiB2 voldoende voordeel biedt ten opzichte van andere materiaalkeuzes, rekening houdend met de kostenverschillen.

Voordelen en beperkingen van TiB2 poeder

Net als andere geavanceerde materialen biedt titaniumdiboride aanzienlijke voordelen, maar brengt het ook bepaalde uitdagingen met zich mee op het gebied van gebruik en verwerking:

Titaniumdiboride - Voordelen

• Extreme hardheid voor slijtvastheid
• Hoge sterkte bij verschillende temperaturen
• Bestand tegen thermische schokken en cycli
• Chemisch inert in zure/alkali-omgevingen
• Maakt lichtere bepantsering en motoren mogelijk
• Voordelig in vergelijking met diamant, cBN, enz.

Titaniumdiboride - Nadelen

• Bros materiaal met slechte schadetolerantie
• Neiging tot afbrokkelen tijdens bewerking of botsingen
• Verwerking bij hoge temperatuur vereist
• Moeilijk te verbinden met metalen of keramiek
• Oxideert snel boven 1000°C
• Beperkte leveranciers en hoge kosten

Matigingsstrategieën

• Breng geschikte coatings aan voor oxidatiebescherming en smering
• Kiezen voor drukloos sinteren vs. fusiesinteren om nanostructuur te behouden
• Gebruik taaie fase versterkingen zoals Ni, Cu om taaiheid te verbeteren
• Gebruik geschikte hechtlagen of -gradiënten voor het verbinden
• Gebruik composieten om intrinsieke brosheid te compenseren

Selectief gebruik van titaniumdiboride waar de mogelijkheden groter zijn dan de beperkingen levert optimale prestaties op.

FAQ

Hier vind je antwoorden op veelgestelde vragen over titanium diboride poeder:

Wat is titaniumdiboridepoeder?

Titaandiboride (TiB2) poeder is een keramisch materiaal dat bestaat uit titanium en boor. Het staat bekend om zijn uitzonderlijke hardheid en hoge smeltpunt.

Wat zijn de belangrijkste eigenschappen van titaniumdiboridepoeder?

Titaandiboridepoeder wordt gekenmerkt door zijn hoge hardheid, uitstekende slijtvastheid, hoge smeltpunt (ongeveer 2980 °C) en goede elektrische geleidbaarheid.

Wat zijn de meest voorkomende toepassingen van titaniumdiboridepoeder?

Titaandiboridepoeder wordt gebruikt in verschillende toepassingen, waaronder snijgereedschappen, pantsermaterialen, slijtvaste coatings en als versterkingsmateriaal in composieten.

Is titaniumdiboridepoeder giftig of gevaarlijk?

Titaniumdiboridepoeder wordt over het algemeen als veilig beschouwd als het op de juiste manier wordt gehanteerd. Maar zoals bij veel fijne poeders moet er voorzichtig mee worden omgegaan om inademing of contact met de huid te voorkomen. In industriële omgevingen moeten de juiste veiligheidsmaatregelen worden genomen.

Kan titanium diboride poeder worden gebruikt bij 3D printen?

Ja, titanium diboride poeder wordt gebruikt op het gebied van additieve productie, waaronder 3D printen. Het kan worden gebruikt om sterke en slijtvaste onderdelen en componenten te maken.

Hoe wordt titaniumdiboridepoeder geproduceerd?

Titaandiboridepoeder wordt meestal geproduceerd via een proces dat carbothermische reductie wordt genoemd, waarbij titaandioxide en booroxide bij hoge temperaturen reageren in de aanwezigheid van koolstof.

Wat zijn de voordelen van het gebruik van titanium diboride poeder in snijgereedschappen?

Titanium diboride staat bekend om zijn hardheid en slijtvastheid, waardoor het een uitstekend materiaal is voor snijgereedschappen. Het kan scherpe randen langer behouden, waardoor het gereedschap minder vaak vervangen hoeft te worden.

Is titanium diboride poeder duur?

Titaandiboridepoeder kan relatief duur zijn in vergelijking met andere materialen vanwege de unieke eigenschappen en het productieproces. De kosten kunnen variëren afhankelijk van de zuiverheid en de deeltjesgrootte.

Kan titaniumdiboridepoeder worden gebruikt in ruimtevaarttoepassingen?

Ja, titanium diboride poeder wordt gebruikt in ruimtevaarttoepassingen, vooral voor onderdelen die bestand moeten zijn tegen hoge temperaturen en slijtage, zoals turbinebladen en straalpijpen.

Is titaniumdiboridepoeder elektrisch geleidend?

Ja, titaniumdiboride is elektrisch geleidend, waardoor het geschikt is voor toepassingen waar zowel hardheid als elektrische geleidbaarheid vereist zijn.

ken meer 3D-printprocessen