Порошок диборида титана

Диборид титана (TiB2) - это современный керамический материал с уникальным сочетанием свойств, которые делают его пригодным для применения в таких сложных отраслях, как аэрокосмическая, оборонная, автомобильная и обрабатывающая промышленность. В этой статье представлен обзор порошок диборида титанавключая его основные характеристики, методы производства, а также текущие и новые области применения в различных секторах.

Обзор порошка диборида титана

Диборид титана - это огнеупорное керамическое соединение, состоящее из титана и бора. Его химическая формула - TiB2. Вот краткий обзор некоторых основных характеристик этого передового материала:

Основные свойства:

• Чрезвычайная твердость - 9-9,5 по шкале Мооса
• Высокая прочность при комнатных и повышенных температурах
• Отличная тепло- и электропроводность
• Низкий коэффициент теплового расширения
• Хорошая устойчивость к коррозии и окислению
• Высокая устойчивость к химическому воздействию
• Низкая плотность - 4,5 г/см3

Методы производства:

• Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС)
• Реакция диоксида титана и карбида бора
• Восстановление диоксида титана и оксида бора
• Другие методы, такие как CVD, золь-гель и т.д.

Общие формы:

• Порошок
• Горячепрессованные компоненты
• Термические напыляемые покрытия
• Композитные составы

Отраслевые применения:

• Режущий инструмент и быстроизнашивающиеся детали
• Компоненты двигателя
• Системы терморегулирования
• Баллистические бронированные системы
• Ядерные приложения -Электроника и датчики
• Новые области применения 3D-печати

Эти исключительные свойства обусловлены кристаллической структурой, стехиометрией и условиями обработки, использованными при синтезе диборида титана. Давайте рассмотрим эти аспекты более подробно:

Состав и кристаллическая структура

Диборид титана имеет простую гексагональную кристаллическую решетку, в которой плоскости атомов титана чередуются с графитоподобными сетками бора. Такое расположение обусловливает уникальные электрические, термические и механические характеристики.

Элементарный состав

Порошок диборида титана имеет следующий элементный состав в весовых процентах:

• Титан - 69.96%
• Бор - 30.04%

Точное молярное соотношение титана и бора 2:1 позволяет сформировать стехиометрическое соединение TiB2, необходимое для достижения оптимальных свойств.

Кристаллическая структура

Размеры гексагональной элементарной ячейки диборида титана составляют:

• a = b = 3,028 Å
• c = 3,228 Å

Атомы титана и бора имеют прочную ковалентную связь между собой. Последовательность слоев придает дибориду титана отличную прочность в базальной плоскости, а также обеспечивает электропроводность между слоями, подобную металлической.

Параметры решетки

Порошок диборида титана высокой чистоты должен иметь следующие параметры решетки:

• a = 3.029 Å
• c = 3.229 Å
• соотношение c/a = 1,066
• Объем ячейки = 23,06 Å3

Тщательный контроль размеров решетки служит проверкой качества при порошок диборида титана синтеза для обеспечения чистоты фаз и предотвращения образования вторичных фаз.

Основные свойства и характеристики

Сочетание кристаллической структуры, стехиометрии и условий обработки придает порошку диборида титана уникальные многофункциональные свойства, которые делают его хорошо подходящим для использования в экстремальных условиях.

Механические свойства

Недвижимость	Значение
Твердость	28-35 ГПа
Вязкость разрушения	~5 МПа√м
Прочность на изгиб	500-650 МПа
Прочность на сжатие	>2000 МПа
Модуль Юнга	515-560 ГПа

Чрезвычайная твердость, высокая прочность и умеренная вязкость разрушения диборида титана позволяют ему выдерживать высокие нагрузки, абразивный износ, эрозию.

Физические свойства

Недвижимость	Значение
Плотность	4,5 г/см3
Температура плавления	2980°C
Теплопроводность	60-120 Вт/мК
Электропроводность	107 Ω-1см-1
Коэффициент теплового расширения	8,3 x 10-6 K-1

Тугоплавкость, высокая электропроводность и низкая экспансивность позволяют дибориду титана выдерживать экстремальные температуры и термоциклирование.

Химические свойства

Параметр	Рейтинг
Устойчивость к окислению	Превосходно до ~1000°C
Коррозионная стойкость	Высокоинертный, не смачивающийся
Устойчивость к воздействию кислот/щелочей	Выдерживает воздействие большинства кислот/щелочей

Эти химические свойства обеспечивают защиту компонентов из диборида титана в реактивных средах и технологических условиях.

Это редкое сочетание механических, физических и химических характеристик делает диборид титана ценным для специализированного применения.

Методы производства Порошок диборида титана

Порошок диборида титана, пригодный для таких передовых применений, не может быть получен обычными методами обработки керамических порошков. Для синтеза этого сверхвысокотемпературного соединения необходимы специализированные неравновесные процессы.

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез

Метод СВС включает в себя высокоэкзотермические окислительно-восстановительные реакции между титаном и борными прекурсорами для получения TiB2 при температуре выше 2000°C. Порошковые смеси диоксида титана и бора воспламеняются при локальном нагреве, поддерживая фронт горения, который преобразует реактивы в продукт - диборид титана. Преимущества СВС - короткое время формирования, одностадийный синтез и мелкий порошок с размером кристаллитов 20-50 нм.

Процессы сокращения

Порошок TiB2 может быть изготовлен различными методами путем восстановления исходного TiO2 с помощью бора/углерода при температуре 1800-2200°C:

• Металлотермическое восстановление с использованием магния
• Силикотермическое восстановление с помощью оксида кремния
• Алюминотермическое восстановление через алюминий
• Карботермическое и боротермическое восстановление в вакууме

Другие процессы

Для получения наноразмерного и ультратонкого порошка диборида титана также изучаются дополнительные методы, такие как золь-гель, CVD и плазменный синтез.

Правильная последующая обработка с помощью деагломерации, измельчения и классификации обеспечивает получение частиц и распределение по размерам в соответствии с требованиями конкретного применения.

Технические характеристики продукта

Порошок диборида титана для коммерческого и исследовательского использования доступен как в стандартных, так и в специальных разновидностях для удовлетворения потребностей:

Размеры

• Нанопорошок: Размер частиц < 100 нм
• Ультратонкий порошок: Размер частиц 0,1 - 1 мкм
• Тонкий порошок: Размер частиц 1-10 мкм
• Крупнозернистый порошок: Размер частиц > 10 мкм

Морфология

• Сферические, угловатые, чешуйчатые, дендритные частицы
• Степень агломерации

Классы чистоты

• Исследовательский класс - >= 92-98% TiB2
• Технический класс - >= 94% TiB2
• Промышленный класс - >= 96-99% TiB2

Площадь поверхности

• Низкая площадь поверхности ~1-5 м2/г
• Высокая площадь поверхности 5-25 м2/г

Персонализация

• Легирующие добавки - Ta, Nb, TiC и др.
• Композитные составы
• Желаемый гранулометрический состав

Понимание целей применения позволяет правильно выбрать марку порошка - чистота, плотность, свойства частиц напрямую влияют на качество готовой продукции.

Ценообразование

Диборид титана порошок цена

Цены зависят от:

• Степень чистоты
• Масштаб производства
• Характеристики частиц
• Редкость спецификаций
• Объем закупок

Факторы, влияющие на цену:

• Затраты на сырье
• Энергоемкая обработка
• Специализированные неравновесные методы
• Несколько этапов последующей обработки
• Специальный протокол обработки и транспортировки

Подходы к снижению затрат:

• Переход на порошок более низкой степени очистки
• Увеличение количества покупок по сниженным ценам
• Покупка смесей прекурсоров Ti и B вместо порошка TiB2

Поставщики

Поскольку диборид титана является передовым инженерным керамическим материалом, в мире существует несколько крупных производителей порошка диборида титана. К числу ведущих поставщиков относятся:

Крупнейшие производители

• H.C. Starck - Германия
• Materion - США
• 3M - США
• Japan New Metals Co. - Япония

Другие поставщики

• Stanford Advanced Materials - США
• Edgetech Industries - Великобритания
• Микрон Металлс - США
• Наношел - США

Области применения диборида титана

Исключительное сочетание свойств порошка диборида титана делает его пригодным для специализированного применения в различных отраслях промышленности:

Применение TiB2 в режущих инструментах

Чрезвычайная твердость, высокая прочность, хорошая теплопроводность и химическая стойкость диборида титана позволяют использовать его для изготовления пластин для режущих инструментов и других быстроизнашивающихся деталей.

Технические характеристики режущего инструмента TiB2

Параметр	Значение
Твердость	32-35 ГПа
Прочность при поперечном разрыве	600 МПа
Вязкость разрушения	4-6 МПа√м
Максимальная температура эксплуатации	800-1000°C

Условия эксплуатации инструмента TiB2

• Высокоскоростная обработка > 100 м/мин
• Прерывание резки при механических ударах и вибрациях
• Обработка в среде с низким содержанием СОЖ или в сухих условиях

Подходит для обработки

• Высокоабразивные материалы - углепластик, ГМК, никелевые сплавы
• Алюминий, титан и сверхпрочные сплавы аэрокосмического класса
• Закаленные стали - инструментальные, нержавеющие и суперстали

Преимущества перед другими инструментальными материалами

• Твердость в 4 раза выше, чем у карбида вольфрама
• Более высокая износостойкость по сравнению с инструментами из глинозема
• Более высокая прочность по сравнению с инструментами из КНБ при температуре > 700°C
• Лучшая химическая инертность по сравнению с керамикой SiC, Si3N4

Изделия для режущего инструмента из TiB2

• Индексируемые вставки со сложной геометрией
• Цельные концевые фрезы и сверла
• Пользовательские формы инструментов

Таким образом, диборид титана демонстрирует преимущества в стоимости инструмента благодаря более длительному сроку службы, более высокой производительности и расширенным возможностям использования рабочих материалов.

Применение брони

Благодаря низкой плотности в сочетании с высокой прочностью и твердостью TiB2 служит эффективным баллистическим бронематериалом для защиты персонала и транспортных средств от угроз.

Технические характеристики TiB2 Armor Tile

Параметр	Значение
Плотность по площади	25-40 кг/м2
Твердость	28-32 ГПа
Прочность на изгиб	> 450 МПа
Баллистический предел > 1000 м/с для FSP

Проектирование корпусов транспортных средств с использованием TiB2

• Плитка ERA для бронетехники
• Подложка из стали и металлического ламината RHA
• Композитные сэндвич-конструкции с углепластиковыми лицевыми панелями

Вставки для бронежилетов персонала

• Керамические плиты с жесткой поверхностью
• Мягкие бронежилеты со слоями ткани
• Возможность нанесения нескольких ударов благодаря устойчивости к повреждениям

Преимущества

• В 2 раза меньшая плотность по сравнению с глинобитной броней
• Более низкая стоимость и вес по сравнению с изделиями из SiC
• Защита от множества ударов в отличие от монолитной керамики

Таким образом, TiB2 позволяет создавать более легкие и в то же время прочные броневые решения как для переносного снаряжения, так и для боевых машин.

Приложения для терморегулирования

Сочетание отличной теплопроводности с высокой температурной стабильностью и устойчивостью делает диборид титана полезным для изготовления деталей терморегулирования в экстремальных температурных и коррозионных средах.

Распределители тепла TiB2

Характеристики	Значения
Теплопроводность	60-100 Вт/мК
Максимальная температура использования	1000°C
CTE	7,6 x 10-6 K-1

Промышленность и применение

• Микроэлектроника - теплоотводы для ИС с интерфейсами Cu/Al
• Концентрированные солнечные установки - Центральные приемники
• Космические аппараты - камеры сгорания, ракетные сопла
• Ядерные - Компоненты плазменной облицовки в реакторах токамак

Преимущества перед другими материалами

• Легче, чем радиаторы на основе Cu/Mo
• Выдерживают более высокие температуры, чем сплавы Al или SS
• Лучшая проводимость и инертность по сравнению с карбидами
• Более низкая стоимость по сравнению с алмазом или пиролитическим графитом

Таким образом, диборид титана обеспечивает композитные тепловые характеристики для управления тепловыми потоками в системах высокой мощности.

Металломатричные и керамические композиты

Благодаря высокому соотношению прочности и плотности в сочетании с химической совместимостью, диборид титана является привлекательной добавкой для создания металлических, интерметаллических и керамических композиционных материалов.

Металломатричные композиты, армированные TiB2

Матрица	Усиление свойств
Магний	Твердость, жесткость, сопротивление ползучести
Алюминий	Прочность, твердость, износостойкость
Титановые сплавы	Высокотемпературная прочность

Для достижения значительных улучшений обычно добавляют 20-40% объемных долей TiB2.

Керамические композиты TiB2

Компоненты	Назначение
SiC, TiB2	Системы тепловой защиты
Al2O3, TiB2	Режущие инструменты
ZrB2, TiB2	Элементы печи

TiB2 обладает отличной совместимостью с другими твердыми керамиками, что позволяет изготавливать композиты с индивидуальными свойствами.

Преимущества

• Повышенная прочность при высоких температурах
• Уменьшение плотности при увеличении жесткости
• Повышенная твердость для износостойких применений
• Лучшая теплопроводность для деталей горячего сечения

Сравнительная оценка Порошок диборида титана

Диборид титана обладает привлекательными характеристиками, но его выбор должен основываться на требованиях к применению и ограничениях по стоимости. Вот взвешенная оценка TiB2 в сравнении с альтернативами:

Сравнение с инструментальными материалами

Параметр	TiB2	УНИТАЗ	cBN	PCD
Твердость	1-й	2-й	3-й	4-й
Вязкость разрушения	3-й	1-й	4-й	2-й
Теплопроводность	2-й	4-й	3-й	1-й
Устойчивость к окислению	2-й	3-й	4-й	1-й
Стоимость	2-й	1-й	4-й	3-й

Диборид титана обеспечивает оптимальный баланс твердости и температурных свойств при низкой цене.

Сравнение с броневой керамикой

Параметр	TiB2	Al2O3	SiC	B4C
Плотность	2-й	4-й	3-й	1-й
Твердость	2-й	3-й	1-й	4-й
Прочность	2-й	3-й	1-й	4-й
Стоимость	3-й	1-й	4-й	2-й

TiB2 обеспечивает экономичную защиту для проектов с бюджетной, но при этом эффективной броней.

Сравнение с тугоплавкими металлами

Параметр	TiB2	Mo	Та	Nb
Плотность	1-й		3-й	2-й	4-й
Прочность	2-й	4-й	3-й	1-й
Температура плавления	3-й	2-й	1-й	4-й
Тепловое расширение	1-й	3-й	4-й	2-й
Стоимость	4-й	2-й	3-й	1-й

По некоторым теплофизическим свойствам диборид титана выгодно отличается от сверхвысокотемпературных металлов.

Тщательный анализ условий эксплуатации позволяет определить, обладает ли TiB2 достаточными преимуществами по сравнению с другими материалами, учитывая разницу в стоимости.

Преимущества и недостатки порошка TiB2

Как и другие современные материалы, диборид титана обладает значительными преимуществами, но в то же время создает определенные трудности в использовании и обращении:

Диборид титана - преимущества

• Исключительная твердость для обеспечения износостойкости
• Высокая прочность в диапазоне температур
• Выдерживает тепловые удары и циклические нагрузки
• Химически инертен в кислотных/щелочных средах
• Позволяет облегчить броню и двигатели
• Экономичность по сравнению с алмазом, КНБ и т.д.

Диборид титана - недостатки

• Хрупкий материал с плохой устойчивостью к повреждениям
• Склонны к сколам при обработке или ударах
• Требуется высокотемпературная обработка
• Трудно соединить с металлами или керамикой
• Быстро окисляется при температуре выше 1000°C
• Ограниченные поставщики и высокие затраты

Стратегии смягчения последствий

• Нанесите подходящие покрытия для защиты от окисления и смазки
• Выбор между спеканием без давления и спеканием с плавлением для сохранения наноструктуры
• Использование армирующих элементов из вязкой фазы, таких как Ni, Cu, для повышения прочности
• Используйте подходящие слои или градиенты для соединения
• Использование композитных материалов для компенсации присущей им хрупкости

Избирательное использование диборида титана в тех случаях, когда его возможности превосходят ограничения, обеспечивает оптимальную производительность.

ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ

Здесь представлены ответы на некоторые распространенные вопросы, касающиеся порошка диборида титана:

Что такое порошок диборида титана?

Порошок диборида титана (TiB2) - это керамический материал, состоящий из титана и бора. Он известен своей исключительной твердостью и высокой температурой плавления.

Каковы основные свойства порошка диборида титана?

Порошок диборида титана характеризуется высокой твердостью, отличной износостойкостью, высокой температурой плавления (около 2980°C или 5396°F) и хорошей электропроводностью.

Каковы общие области применения порошка диборида титана?

Порошок диборида титана используется в различных областях, включая режущие инструменты, броневые материалы, износостойкие покрытия, а также в качестве армирующего материала в композитах.

Является ли порошок диборида титана токсичным или опасным?

Порошок диборида титана, как правило, считается безопасным при правильном обращении. Однако, как и со многими другими мелкими порошками, с ним следует обращаться осторожно, чтобы избежать вдыхания или контакта с кожей. В промышленных условиях следует соблюдать надлежащие меры предосторожности.

Можно ли использовать порошок диборида титана в 3D-печати?

Да, порошок диборида титана используется в области аддитивного производства, в том числе 3D-печати. С его помощью можно создавать прочные и износостойкие детали и компоненты.

Как производится порошок диборида титана?

Порошок диборида титана обычно получают в процессе карботермического восстановления, когда диоксид титана и оксид бора вступают в реакцию при высоких температурах в присутствии углерода.

Каковы преимущества использования порошка диборида титана в режущих инструментах?

Диборид титана известен своей твердостью и износостойкостью, что делает его отличным материалом для режущих инструментов. Он может сохранять острые кромки в течение длительного времени, снижая необходимость частой замены инструмента.

Дорого ли стоит порошок диборида титана?

Порошок диборида титана может быть относительно дорогим по сравнению с другими материалами из-за его уникальных свойств и процесса производства. Стоимость может варьироваться в зависимости от чистоты и размера частиц.

Можно ли использовать порошок диборида титана в аэрокосмической промышленности?

Да, порошок диборида титана используется в аэрокосмической промышленности, особенно для компонентов, требующих высокой температуры и износостойкости, таких как лопатки и сопла турбин.

Является ли порошок диборида титана электропроводящим?

Да, диборид титана электропроводен, что делает его пригодным для применения в тех случаях, когда требуется одновременно твердость и электропроводность.

узнать больше о процессах 3D-печати