Titanium: Zo sterk als staal, zo licht als aluminium-en het zit ook in je lichaam
Een bot uit een titaniumlegering kan een leven lang in je lichaam blijven zitten, en een volledig-titaniumvliegtuig kan drie keer zo snel vliegen als het geluid. Dit metaal-lichter dan staal en sterker dan aluminium-zit verborgen in je tandpasta, zonnebrandcrème en knieën.
Dit metaal is titanium. Het is niet buitensporig duur; het is gewoon schandalig zeldzaam.
I. De helft van het gewicht van staal, twee keer zo hard als aluminium
Titanium heeft een dichtheid van 4,51 g/cm³, wat 56% is van die van staal en 1,6 keer die van aluminium. De sterkte van puur titanium is vergelijkbaar met die van middelmatig-koolstofstaal, terwijl titaniumlegeringen (de meest klassieke is Ti-6Al-4V, in de industrie bekend als 'Titanium 64') de sterkte opdrijven tot 900–1.170 MPa, waardoor ze in dezelfde categorie vallen als gelegeerd staal met hoge-sterkte. In termen van specifieke sterkte, dat wil zeggen de belasting die het kan dragen per gewichtseenheid, overtreft titanium alle andere metalen.
Nog opmerkelijker is dat deze hoge sterkte niet ten koste gaat van de taaiheid. Hoewel veel hogesterktestaalsoorten sterk zijn, zijn ze vaak bros; Titaniumlegeringen behouden echter een goede taaiheid en breukweerstand, zelfs in vloeibare stikstof bij -200 graden, en worden niet snel zacht bij hoge temperaturen boven 400 graden, in tegenstelling tot aluminiumlegeringen. Van de lage temperaturen van vloeibaar helium nabij 4 K tot de hoge temperaturen van vliegtuigmotorturbines rond de 500 graden, vertonen titaniumlegeringen geen significante prestatieverschillen over het gehele temperatuurbereik.
Denk nu eens aan de corrosieweerstand. Op het oppervlak van titanium vormt zich spontaan een dichte TiO₂-passiveringslaag; Hoewel het slechts een paar nanometer dik is, fungeert het als een beschermend pantser dat stevig aan het substraat is gehecht. Zelfs als er krassen op deze laag komen, wordt deze snel opnieuw-geoxideerd en gerepareerd-zo snel dat tekenen van corrosie vrijwel onzichtbaar zijn. Een titaniumlegering die twintig jaar in zeewater is ondergedompeld, zal nog steeds glanzen wanneer deze na verwijdering wordt schoongeveegd. Media zoals geconcentreerd zwavelzuur, salpeterzuur, chloorgas en organische zuren hebben ook moeite om aanzienlijke corrosie te veroorzaken. Het enige zwakke punt is fluorwaterstofzuur (HF): fluoride-ionen lossen de oxidefilm op het titaniumoppervlak direct op, waardoor het titaniumsubstraat bloot komt te liggen en corrosie ontstaat.
Als je dit alles in aanmerking neemt, zou je kunnen denken dat titanium exorbitant duur moet zijn. Titanium staat echter op de negende plaats wat betreft overvloed in de aardkorst, waardoor het overvloediger aanwezig is dan koper, zink en lood. Waarom is het dan nog steeds vijf tot tien keer duurder dan roestvrij staal? Omdat het Kroll-proces een batch-energie--intensieve methode is, waarbij ongeveer 36.000 kilowatt-uur elektriciteit nodig is om één ton sponstitanium-voldoende te produceren om een gemiddeld huishouden drie jaar lang van stroom te voorzien. Bovendien heeft titanium een extreem slechte thermische geleidbaarheid bij bewerking, waardoor de warmte zich volledig op de snijkant concentreert, waardoor het gereedschap meerdere malen sneller verslijt dan bij het snijden van staal. De hoge kosten van titanium komen niet voort uit de grondstof zelf, maar uit de hoge verwerkingskosten ervan.
II. Uit de Sovjet-Unie gesmokkeld titanium werd gebruikt om een Amerikaans spionagevliegtuig te bouwen dat drie keer zo snel kon vliegen als het geluid
Het SR-71 "Blackbird" verkenningsvliegtuig, dat zijn eerste vlucht maakte in 1964, was een strategisch verkenningsvliegtuig voor lange- afstanden, grote- hoogten en hoge- snelheden, bestuurd door de Amerikaanse luchtmacht. Het bevatte een schat aan geavanceerde-technologie van die tijd, waaronder een structuur van titaniumlegering en een turbojet/ramjetmotor met variabele-cyclus, en was het eerste operationele straalvliegtuig dat met succes de hittebarrière doorbrak. Het was in staat om op een hoogte van 24.000 meter een snelheid van 3,2 keer de geluidssnelheid te bereiken,-zo snel dat de destijds gelanceerde Sovjet-luchtverdedigingsraketten het simpelweg niet konden bijhouden. Gedurende zijn operationele geschiedenis is het nooit neergeschoten door vijandelijke vliegtuigen of luchtafweerraketten. Een van de best bewaarde geheimen van het vliegtuig ligt in de materialen: 93 procent van het casco is gemaakt van een titaniumlegering.
III. Je consumeert en past elke dag titanium toe, maar je beseft het misschien niet
Van het wereldwijd gewonnen titaniumerts wordt slechts ongeveer 5% gereduceerd tot metallisch titanium; de overige 95% wordt omgezet in titaandioxide (TiO₂), ook wel titaanwit genoemd.
Titaandioxide is het belangrijkste witte pigment op aarde. Het heeft een extreem hoge brekingsindex, waardoor de verstrooiingsefficiëntie van wit licht in het zichtbare spectrum wordt gemaximaliseerd. Eén kilogram titaniumdioxide kan ongeveer 8 tot 10 vierkante meter oppervlakte bedekken, waardoor het een ondoorzichtige, puur witte kleur krijgt. Zonder titaniumdioxide zouden de witte muren in je kamer grijs worden, zou tandpasta transparant worden, zouden plastic buizen hun natuurlijke geelachtig-bruine kleur onthullen, en zou zonnebrandcrème op je gezicht eruit zien als een vettige, transparante film.
De gladde witte laag op de M&M's-snoepjes die je eet, bevat titaniumdioxide. Magere melk gebruikt titaniumdioxide om het witter te maken, waardoor het meer op volle melk lijkt. De witte coating op pillen is ook gemaakt van titaniumdioxide. Zelfs de witte kleur van het toiletpapier dat u gebruikt nadat u naar de wc bent geweest-als u een merk met een hoge-witheid- gebruikt, is hoogstwaarschijnlijk te danken aan titaniumdioxide.
IV. Wanneer uw botten in het menselijk lichaam worden geïmplanteerd, zullen ze er actief mee versmelten
Als een titaniumlegering in het menselijk lichaam wordt geïmplanteerd, wordt deze niet zoals gewone metalen afgewezen; in plaats daarvan "versmelt" het geleidelijk met het omringende bot. Dit fenomeen staat in de geneeskunde bekend als osseo-integratie.
De sleutel tot het vermogen van titanium om dit te doen ligt in de vorming van een zeer dichte oxidelaag op het oppervlak. Deze laag is stabiel en irriteert menselijk weefsel niet, waardoor botcellen zich veilig kunnen hechten aan en zich kunnen vermenigvuldigen op het oppervlak, waardoor geleidelijk nieuw botweefsel wordt gevormd.
Daarentegen zijn veel metalen gevoelig voor loslating, corrosie of afstotingsreacties na implantatie, terwijl titaniumlegeringen betere biocompatibiliteit en grotere stabiliteit op de lange termijn bieden. Om deze reden worden ze veel gebruikt in medische toepassingen zoals kunstmatige gewrichten, botplaten, schroeven en tandheelkundige implantaten.
Simpel gezegd: titanium wordt niet in het bot ‘gedrukt’; het bot accepteert het eerder gewillig.
E-mail:garychen3215@hotmail.com
Adres: No.35, Baoti Rd, Baoji-stad, provincie Shaanxi, China
Contactpersoon: de heer Gary Chen
Telefoon: +86-917-8883215
Mobiel/WhatsApp: +86 13092900605
