Diborek tytanu w proszku

Diborek tytanu (TiB2) to zaawansowany materiał ceramiczny o unikalnej kombinacji właściwości, które sprawiają, że nadaje się on do wymagających zastosowań w branżach takich jak lotnictwo, obronność, motoryzacja i produkcja. Niniejszy artykuł zawiera przegląd proszek diborku tytanuw tym jego kluczowe cechy, metody produkcji oraz obecne i nowe zastosowania w różnych sektorach.

Przegląd proszku diborku tytanu

Diborek tytanu to ogniotrwały związek ceramiczny składający się z tytanu i boru. Jego wzór chemiczny to TiB2. Oto krótkie spojrzenie na niektóre z głównych cech tego zaawansowanego materiału:

Kluczowe właściwości:

• Ekstremalna twardość - 9-9,5 w skali Mohsa
• Wysoka wytrzymałość w temperaturze pokojowej i podwyższonej
• Doskonała przewodność cieplna i elektryczna
• Niski współczynnik rozszerzalności cieplnej
• Dobra odporność na korozję i utlenianie
• Wysoka odporność na ataki chemiczne
• Niska gęstość - 4,5 g/cm3

Metody produkcji:

• Samonapędzająca się synteza wysokotemperaturowa (SHS)
• Reakcja dwutlenku tytanu i węglika boru
• Redukcja dwutlenku tytanu i tlenku boru
• Inne metody, takie jak CVD, zol-żel itp.

Popularne formy:

• Proszek
• Komponenty tłoczone na gorąco
• Powłoki natryskiwane termicznie
• Preparaty złożone

Zastosowania przemysłowe:

• Narzędzia tnące i części zużywające się
• Komponenty silnika
• Systemy zarządzania ciepłem
• Balistyczne systemy opancerzenia
• Zastosowania jądrowe - Elektronika i czujniki
• Nowe zastosowania druku 3D

Te wyjątkowe właściwości wynikają ze struktury krystalicznej, stechiometrii i warunków przetwarzania stosowanych do syntezy diborku tytanu. Przyjrzyjmy się tym aspektom bardziej szczegółowo:

Skład i struktura krystaliczna

Diborek tytanu ma prostą heksagonalną sieć krystaliczną, w której płaszczyzny atomów tytanu przeplatają się z grafitowymi siatkami boru. Taki układ zapewnia unikalne właściwości elektryczne, termiczne i mechaniczne.

Skład pierwiastkowy

Proszek diborku tytanu ma następujący skład pierwiastkowy w procentach wagowych:

• Titanium - 69.96%
• Bor - 30.04%

Ten precyzyjny stosunek molowy tytanu do boru wynoszący 2:1 umożliwia tworzenie stechiometrycznego związku TiB2 potrzebnego do uzyskania optymalnych właściwości.

Struktura krystaliczna

Wymiary heksagonalnej komórki elementarnej diborku tytanu wynoszą:

• a = b = 3,028 Å
• c = 3,228 Å

Atomy tytanu i boru mają między sobą silne wiązania kowalencyjne. Sekwencjonowanie warstwowe zapewnia diborkowi tytanu doskonałą wytrzymałość w płaszczyźnie podstawowej, jednocześnie umożliwiając przewodnictwo elektryczne podobne do metalu między warstwami.

Parametry sieci

Proszek diborku tytanu o wysokiej czystości powinien mieć następujące parametry sieci:

• a = 3.029 Å
• c = 3.229 Å
• stosunek c/a = 1,066
• Objętość komórki = 23,06 Å3

Dokładne monitorowanie wymiarów siatki służy jako kontrola jakości podczas proszek diborku tytanu w celu zapewnienia czystości faz i ochrony przed tworzeniem się faz wtórnych.

Kluczowe właściwości i charakterystyka

Połączenie struktury krystalicznej, stechiometrii i warunków przetwarzania nadaje proszkowi diborku tytanu unikalne wielofunkcyjne właściwości, które sprawiają, że dobrze nadaje się on do ekstremalnych środowisk.

Właściwości mechaniczne

Nieruchomość	Wartość
Twardość	28-35 GPa
Wytrzymałość na złamania	~5 MPa√m
Wytrzymałość na zginanie	500-650 MPa
Wytrzymałość na ściskanie	>2000 MPa
Moduł Younga	515-560 GPa

Ekstremalna twardość, wysoka wytrzymałość i umiarkowana odporność na pękanie diborku tytanu pozwalają mu wytrzymać wysokie zużycie, ścieranie, erozję i obciążenia.

Właściwości fizyczne

Nieruchomość	Wartość
Gęstość	4,5 g/cm3
Temperatura topnienia	2980°C
Przewodność cieplna	60-120 W/mK
Przewodność elektryczna	107 Ω-1cm-1
Współczynnik rozszerzalności cieplnej	8,3 x 10-6 K-1

Ogniotrwały charakter, wysoka przewodność i niska rozszerzalność pozwalają diborkowi tytanu wytrzymać ekstremalne temperatury i cykle termiczne.

Właściwości chemiczne

Parametr	Ocena
Odporność na utlenianie	Doskonała do ~1000°C
Odporność na korozję	Wysoce obojętny, niezwilżalny
Odporność na kwasy i zasady	Odporny na większość kwasów/zasad

Te właściwości chemiczne zapewniają komponentom z diborku tytanu ochronę w środowiskach reaktywnych i warunkach procesowych.

To rzadkie połączenie właściwości mechanicznych, fizycznych i chemicznych sprawia, że diborek tytanu jest ceniony w specjalistycznych zastosowaniach.

Metody produkcji dla Diborek tytanu w proszku

Proszek diborku tytanu odpowiedni do tak zaawansowanych zastosowań nie może być wytwarzany konwencjonalnymi technikami przetwarzania proszków ceramicznych. Do syntezy tego ultrawysokotemperaturowego związku potrzebne są specjalistyczne procesy nierównowagowe.

Samopowielająca się synteza w wysokiej temperaturze

Metoda SHS obejmuje wysoce egzotermiczne reakcje redoks między prekursorami tytanu i boru w celu wytworzenia TiB2 w temperaturze powyżej 2000°C. Mieszanina dwutlenku tytanu i proszku boru zapala się przy miejscowym ogrzewaniu, aby podtrzymać front spalania, który przekształca reagenty w produkt diborku tytanu. Zalety SHS obejmują krótki czas formowania, jednoetapową syntezę i drobny proszek o wielkości krystalitów 20-50 nm.

Procesy redukcji

Proszek TiB2 może być wytwarzany poprzez redukcję surowca TiO2 źródłami boru/węgla w temperaturze 1800-2200°C różnymi metodami:

• Redukcja metalotermiczna z użyciem magnezu
• Redukcja krzemotermiczna tlenkiem krzemu
• Redukcja glinotermiczna poprzez aluminium
• Redukcja karbotermiczna i borotermiczna w próżni

Inne procesy

Dodatkowe techniki, takie jak zol-żel, CVD i synteza plazmowa są również badane w celu przygotowania nanoskali i ultradrobnego proszku diborku tytanu.

Właściwe przetwarzanie końcowe poprzez deaglomerację, mielenie i klasyfikację zapewnia dostępność cząstek o rozmiarach i rozkładach wielkości specyficznych dla danego zastosowania.

Specyfikacja produktu

Proszek diborku tytanu do zastosowań komercyjnych i badawczych jest dostępny zarówno w standardowych, jak i niestandardowych odmianach, aby spełnić potrzeby aplikacji:

Rozmiary

• Nanoproszek: Wielkość cząstek < 100 nm
• Bardzo drobny proszek: Wielkość cząstek 0,1 - 1 μm
• Drobny proszek: Wielkość cząstek 1-10 μm
• Proszek gruboziarnisty: Wielkość cząstek > 10 μm

Morfologia

• Sferyczne, kanciaste, łuszczące się, dendrytyczne cząstki
• Stopień aglomeracji

Stopnie czystości

• Klasa badawcza - >= 92-98% TiB2
• Klasa techniczna - >= 94% TiB2
• Klasa przemysłowa - >= 96-99% TiB2

Powierzchnia

• Niska powierzchnia ~1-5 m2/g
• Wysoka powierzchnia 5-25 m2/g

Personalizacja

• Dodatki domieszek - Ta, Nb, TiC itp.
• Preparaty złożone
• Pożądany rozkład wielkości cząstek

Zrozumienie celów aplikacji prowadzi do właściwego wyboru gatunku proszku - czystość, gęstość, właściwości cząstek mają bezpośredni wpływ na jakość gotowego produktu.

Wycena

Cena proszku diborku tytanu

Ceny różnią się w zależności od:

• Stopień czystości
• Skala produkcji
• Charakterystyka cząstek
• Rzadkość specyfikacji
• Wielkość zakupów

Czynniki wpływające na cenę:

• Koszty surowców
• Energochłonne przetwarzanie
• Specjalistyczne techniki nierównowagowe
• Wiele etapów po zakończeniu leczenia
• Specjalny protokół obsługi i wysyłki

Metody redukcji kosztów:

• Przejście na proszek o niższej czystości
• Zwiększenie ilości zakupów po obniżonych stawkach
• Kupowanie mieszanek prekursorów Ti i B zamiast proszku TiB2

Dostawcy

Jako zaawansowany, zaprojektowany materiał ceramiczny, na świecie istnieje niewielu producentów proszku diborku tytanu na dużą skalę. Niektórzy wiodący dostawcy to:

Główni producenci

• H.C. Starck - Niemcy
• Materion - USA
• 3M - USA
• Japan New Metals Co. - Japonia

Inni dostawcy

• Stanford Advanced Materials - USA
• Edgetech Industries - Wielka Brytania
• Micron Metals - USA
• Nanoshel - USA

Zastosowania diborku tytanu

Wyjątkowe połączenie właściwości proszku diborku tytanu sprawia, że nadaje się on do specjalistycznych zastosowań w wielu sektorach przemysłu:

Zastosowania TiB2 w narzędziach skrawających

Ekstremalna twardość, wysoka wytrzymałość, dobra przewodność cieplna i odporność chemiczna diborku tytanu sprawiają, że jest on doskonałym kandydatem do produkcji płytek narzędzi skrawających i innych elementów zużywających się.

Specyfikacja narzędzia tnącego TiB2

Parametr	Wartość
Twardość	32-35 GPa
Wytrzymałość na zerwanie poprzeczne	600 MPa
Wytrzymałość na złamania	4-6 MPa√m
Maksymalna temperatura pracy	800-1000°C

Warunki pracy narzędzia TiB2

• Obróbka z dużą prędkością > 100 m/min
• Cięcie przerywane wstrząsami mechanicznymi i wibracjami
• Niski poziom chłodziwa lub suche środowisko obróbki

Nadaje się do obróbki skrawaniem

• Materiały o wysokiej ścieralności - CFRP, MMC, stopy niklu
• Aluminium, tytan i nadstopy klasy lotniczej
• Stale hartowane - narzędziowe, nierdzewne i super stale

Zalety w porównaniu z innymi materiałami narzędziowymi

• 4-krotnie wyższa twardość niż węglika wolframu
• Lepsza odporność na zużycie niż w przypadku narzędzi z tlenku glinu
• Wyższa wytrzymałość niż narzędzi cBN w temperaturze > 700°C
• Lepsza obojętność chemiczna w porównaniu z ceramiką SiC, Si3N4

Produkty TiB2 do narzędzi skrawających

• Wkładki indeksowane o złożonej geometrii
• Frezy trzpieniowe i wiertła
• Niestandardowe kształty narzędzi

W ten sposób diborek tytanu wykazuje korzyści w zakresie kosztów narzędzi dzięki dłuższej żywotności, wyższej produktywności i rozszerzonym odpowiednim materiałom roboczym.

Zastosowania pancerza

Dzięki niskiej gęstości w połączeniu z wysoką wytrzymałością i twardością, TiB2 służy jako skuteczny materiał balistyczny do ochrony personelu i pojazdów przed zagrożeniami.

Specyfikacja TiB2 Armor Tile

Parametr	Wartość
Gęstość powierzchniowa	25-40 kg/m2
Twardość	28-32 GPa
Wytrzymałość na zginanie	> 450 MPa
Limit balistyczny > 1000 m/s dla FSP

Konstrukcje kadłubów pojazdów z TiB2

• Płytki ERA dla pojazdów opancerzonych
• Podkład ze stali RHA i laminatu z włókna metalowego
• Kompozytowe konstrukcje warstwowe z płytami czołowymi CFRP

Wkłady do pancerzy osobistych

• Sztywne płyty ceramiczne
• Miękkie kamizelki kuloodporne z warstwami materiału
• Możliwość wykonywania wielu trafień dzięki tolerancji na obrażenia

Zalety

• 2-krotnie niższa gęstość w porównaniu ze zbroją z tlenku glinu
• Niższy koszt i waga niż w przypadku produktów SiC
• Ochrona przed wieloma uderzeniami w przeciwieństwie do ceramiki monolitycznej

W ten sposób TiB2 zapewnia lżejsze, a jednocześnie mocniejsze rozwiązania pancerza dla sprzętu przenośnego lub pojazdów bojowych.

Aplikacje do zarządzania temperaturą

Połączenie doskonałej przewodności cieplnej wraz z wysoką stabilnością temperaturową i odpornością sprawia, że diborek tytanu jest przydatny do zarządzania ciepłem w ekstremalnych temperaturach i środowiskach korozyjnych.

Rozpraszacze ciepła TiB2

Specyfikacja	Wartości
Przewodność cieplna	60-100 W/mK
Maksymalna temperatura użytkowania	1000°C
CTE	7,6 x 10-6 K-1

Branże i zastosowania

• Mikroelektronika - radiatory układów scalonych z interfejsami Cu/Al
• Skoncentrowane elektrownie słoneczne - odbiorniki centralne
• Statki kosmiczne - komory spalania, dysze rakietowe
• Jądrowe - Elementy plazmowe w reaktorach tokamak

Zalety w porównaniu z innymi materiałami

• Lżejsze niż radiatory na bazie Cu/Mo
• Wytrzymuje wyższe temperatury niż stopy Al lub SS
• Lepsza przewodność i obojętność w porównaniu z węglikami
• Niższy koszt niż w przypadku diamentu lub grafitu pirolitycznego

W ten sposób diborek tytanu zapewnia właściwości termiczne podobne do kompozytów do zarządzania strumieniami ciepła w systemach o dużej mocy.

Kompozyty metalowo-matrycowe i ceramiczne

Ze względu na wysoki stosunek wytrzymałości do gęstości w połączeniu z kompatybilnością chemiczną, diborek tytanu jest atrakcyjnym dodatkiem do produkcji metalowych, międzymetalicznych i ceramicznych materiałów kompozytowych.

Kompozyty na osnowie metalowej wzmocnione TiB2

Matryca	Zwiększone właściwości
Magnez	Twardość, sztywność, odporność na pełzanie
Aluminium	Wytrzymałość, twardość, odporność na zużycie
Stopy tytanu	Wytrzymałość na wysokie temperatury

20-40% frakcje objętościowe TiB2 są zwykle dodawane w celu uzyskania znaczących ulepszeń.

Kompozyty ceramiczne TiB2

Komponenty	Cel
SiC, TiB2	Systemy ochrony termicznej
Al2O3, TiB2	Narzędzia tnące
ZrB2, TiB2	Elementy pieca

TiB2 ma doskonałą kompatybilność z innymi twardymi materiałami ceramicznymi, umożliwiając produkcję kompozytów o dostosowanych właściwościach.

Korzyści

• Zwiększona wytrzymałość w wysokich temperaturach
• Zmniejszona gęstość przy jednoczesnym zwiększeniu sztywności
• Zwiększona twardość do zastosowań związanych ze zużyciem
• Lepsza przewodność cieplna dla części gorących

Ocena porównawcza Diborek tytanu w proszku

Diborek tytanu ma atrakcyjne właściwości, ale musi być wybrany w oparciu o wymagania aplikacji i ograniczenia kosztowe. Oto porównanie TiB2 z alternatywnymi rozwiązaniami:

Porównanie z materiałami narzędziowymi

Parametr	TiB2	WC	cBN	PCD
Twardość	1.	2.	3.	4.
Wytrzymałość na złamania	3.	1.	4.	2.
Przewodność cieplna	2.	4.	3.	1.
Odporność na utlenianie	2.	3.	4.	1.
Koszt	2.	1.	4.	3.

Diborek tytanu zapewnia optymalną równowagę między twardością i właściwościami temperaturowymi w niższych punktach cenowych.

Porównanie z ceramiką pancerną

Parametr	TiB2	Al2O3	SiC	B4C
Gęstość	2.	4.	3.	1.
Twardość	2.	3.	1.	4.
Siła	2.	3.	1.	4.
Koszt	3.	1.	4.	2.

W przypadku projektów zbrojeń wrażliwych na budżet, ale wymagających wydajności, TiB2 zapewnia ekonomiczną ochronę.

Porównanie z metalami ogniotrwałymi

Parametr	TiB2	Mo	Ta	Nb
Gęstość	1.		3.	2.	4.
Siła	2.	4.	3.	1.
Temperatura topnienia	3.	2.	1.	4.
Rozszerzalność cieplna	1.	3.	4.	2.
Koszt	4.	2.	3.	1.

Diborek tytanu korzystnie konkuruje z metalami ultrawysokotemperaturowymi pod względem niektórych właściwości termicznych i fizycznych.

Dokładna analiza warunków pracy pomaga określić, czy TiB2 zapewnia wystarczającą przewagę nad innymi materiałami, biorąc pod uwagę różnice w kosztach.

Zalety i ograniczenia proszku TiB2

Podobnie jak inne zaawansowane materiały, diborek tytanu oferuje znaczące korzyści, ale także stwarza pewne wyzwania związane z użytkowaniem i obsługą:

Diborek tytanu - zalety

• Ekstremalna twardość zapewniająca odporność na zużycie
• Wysoka wytrzymałość w szerokim zakresie temperatur
• Odporność na szoki termiczne i cykliczne zmiany temperatury
• Chemicznie obojętny w środowisku kwaśnym/alkalicznym
• Lżejszy pancerz i silniki
• Ekonomiczny w porównaniu do diamentu, cBN itp.

Diborek tytanu - wady

• Kruchy materiał o niskiej odporności na uszkodzenia
• Skłonność do odprysków podczas obróbki lub uderzeń
• Wymaga przetwarzania w wysokiej temperaturze
• Trudne do połączenia z metalami lub ceramiką
• Utlenia się szybko powyżej 1000°C
• Ograniczeni dostawcy i wysokie koszty

Strategie łagodzenia skutków

• Nałożyć odpowiednie powłoki chroniące przed utlenianiem i zapewniające smarowność
• Wybierz spiekanie bezciśnieniowe lub termojądrowe, aby zachować nanostrukturę
• Zastosowanie wzmocnień z fazy ciągliwej, takich jak Ni, Cu, w celu poprawy wytrzymałości.
• Zastosowanie odpowiednich warstw spajających lub gradientów do łączenia
• Wykorzystanie kompozytów w celu zrównoważenia wewnętrznej kruchości

Selektywne wykorzystanie diborku tytanu tam, gdzie jego możliwości przewyższają ograniczenia, zapewnia optymalną wydajność.

FAQ

Oto odpowiedzi na najczęściej zadawane pytania dotyczące proszku diborku tytanu:

Czym jest proszek diborku tytanu?

Proszek diborku tytanu (TiB2) to materiał ceramiczny składający się z tytanu i boru. Znany jest z wyjątkowej twardości i wysokiej temperatury topnienia.

Jakie są główne właściwości proszku diborku tytanu?

Proszek diborku tytanu charakteryzuje się wysoką twardością, doskonałą odpornością na zużycie, wysoką temperaturą topnienia (około 2980°C lub 5396°F) i dobrą przewodnością elektryczną.

Jakie są typowe zastosowania proszku diborku tytanu?

Proszek diborku tytanu jest używany w różnych zastosowaniach, w tym w narzędziach skrawających, materiałach pancernych, powłokach odpornych na zużycie oraz jako materiał wzmacniający w kompozytach.

Czy proszek diborku tytanu jest toksyczny lub niebezpieczny?

Proszek diborku tytanu jest ogólnie uważany za bezpieczny przy prawidłowym obchodzeniu się z nim. Jednakże, podobnie jak w przypadku wielu drobnych proszków, należy obchodzić się z nim ostrożnie, aby uniknąć wdychania lub kontaktu ze skórą. W warunkach przemysłowych należy przestrzegać odpowiednich środków ostrożności.

Czy proszek diborku tytanu może być stosowany w druku 3D?

Tak, proszek diborku tytanu jest wykorzystywany w dziedzinie produkcji addytywnej, w tym druku 3D. Może być wykorzystywany do tworzenia wytrzymałych i odpornych na zużycie części i komponentów.

Jak produkowany jest proszek diborku tytanu?

Proszek diborku tytanu jest zwykle wytwarzany w procesie zwanym redukcją karbotermiczną, w którym dwutlenek tytanu i tlenek boru reagują w wysokich temperaturach w obecności węgla.

Jakie są zalety stosowania proszku diborku tytanu w narzędziach skrawających?

Diborek tytanu jest znany ze swojej twardości i odporności na zużycie, co czyni go doskonałym materiałem na narzędzia skrawające. Może utrzymywać ostre krawędzie przez dłuższy czas, zmniejszając potrzebę częstej wymiany narzędzi.

Czy proszek diborku tytanu jest drogi?

Proszek diborku tytanu może być stosunkowo drogi w porównaniu do innych materiałów ze względu na jego unikalne właściwości i proces produkcji. Koszt może się różnić w zależności od czystości i wielkości cząstek.

Czy proszek diborku tytanu może być stosowany w przemyśle lotniczym?

Tak, proszek diborku tytanu jest stosowany w przemyśle lotniczym i kosmonautycznym, zwłaszcza w przypadku elementów wymagających wysokiej odporności na temperaturę i zużycie, takich jak łopatki turbin i dysze.

Czy proszek diborku tytanu przewodzi prąd elektryczny?

Tak, diborek tytanu przewodzi prąd elektryczny, dzięki czemu nadaje się do zastosowań, w których wymagana jest zarówno twardość, jak i przewodność elektryczna.

poznaj więcej procesów druku 3D