کلیات

تیتانیوم (Titanium) یک عنصر شیمیایی با نماد Ti و عدد اتمی ۲۲ است که یک فلز انتقالی درخشان به رنگ نقره ای است. تیتانیوم فلزی با چگالی پایین و مقاومت بالاست که در برابر آب دریا و کلر نیز مقاوم است. این فلز در سال ۱۷۹۱ توسط ویلیام گرگور در کورنوال  بریتانیا کشف شد . این عنصر در برخی ذخایر معدنی ، به طور عمده روتیل و ایلمنیت مشاهده می شود که به طور گسترده در پوسته زمین و لیتوسفر توزیع شده اند. تیتانیوم تقریبا در بدن همه موجودات زنده و در آب ها ، سنگها و خاکها یافت می شود.

خواص فیزیکی تیتانیوم

تیتانیوم فلزی است که «استحکام ویژه» (Specific Strength) بالایی دارد. فلزی با چگالی پایین، بادوام، براق و چکش‌خوار است. به دلیل مقاومت بالای آن در مقابل گرما و آب و همچنین دمای ذوب بالا (بیش از 1650 درجه سانتی‌گراد)،‌ در دسته فلزات نسوز قرار می‌گیرد. خاصیت پارامغناطیسی دارد و هدایت الکتریکی و حرارتی آن در مقایسه با دیگر فلزات پایین است اما زمانی که به کمتر از دمای بحرانی خود ( − 272.66 C ∘ ) برسد، به ابر رسانا تبدیل خواهد شد. «مقاومت کششی» (Tensile Stress)، تیتانیوم با خلوص 99/2 درصد، در حدود 434 M P a است. این مقدار از مقاومت کششی با آلیاژهای فولاد برابری می‌کند اما چگالی پایین‌تری در مقایسه با آلیاژهای فولاد دارد. در خصوص چگالی این فلز می‌توان اشاره کرد که با وجود اینکه این عنصر در حدود 60 درصد چگال‌تر از آلومینیوم است اما استحکام آن را بیش از دو برابر آلیاژهای معمول آلومینیوم تخمین می‌زنند. آلیاژهایی از این فلز موسوم به B e t a C وجود دارند که مقاومت کششی آنها تا 1400 M P a نیز می‌رسد اما به طور کلی این فلز با گرم شدن بیش از 430 درجه سانتی‌گراد،‌ مقاومت خود را از دست می‌دهد. در ماشین‌کاری این فلز باید دقت کافی داشت چراکه به سادگی با ماشین‌کاری تغییر شکل می‌دهد و باید از ماشین‌آلات مرغوب به همراه دستگاه‌های خنک‌کننده استفاده کرد.

خواص شیمیایی تیتانیوم

همانند آلومینیوم و منیزیم، تیتانیوم و آلیاژهای آن به سرعت در معرض هوا اکسید می‌شوند. این عنصر در دمای 1200 درجه سانتی‌گراد با اکسیژن و 610 درجه سانتی‌گراد با اکسیژن خالص به سادگی واکنش و تشکیل دی‌اکسید تیتانیوم می‌دهد. در هر صورت همانطور که گفته شد واکنش آن با آب و هوا در دمای محیط بسیار آهسته صورت می‌گیرد چراکه در اثر این واکنش یک لایه مقاوم در برابر خوردگی تشکیل می‌شود که در مقابل اکسید شدن مقاوم است. ضخامت این لایه تنها بین 1-2 نانومتر است و به آرامی ضخامت آن افزایش می‌یابد به طوریکه بعد از گذشت ۴ سال، ضخامت آن در نهایت به 25 نانومتر می‌رسد. این فلز در برابر سولفوریک اسید رقیق، هیدروکلریک اسید، محلول‌های کلرید و بیشتر اسیدهای آلی مقاوم است اما در برابر اسیدهای غلیظ دچار خوردگی می‌شود. به دلیل پتاسیل منفی اکسید و احیا، این فلز از لحاظ ترمودینامیکی به شدت فعال است به طوریکه در فشار اتمسفر و دمای کمتر از نقطه ذوب می‌سوزد. در نتیجه ذوب آن تنها در محیط‌های خنثی یا خلأ امکان‌پذیر است و در دمای 550 درجه سانتی‌گراد با کلر ترکیب می‌شود. همچنین این عنصر با دیگر هالوژن‌ها واکنش می‌دهد و هیدروژن جذب می‌کند. این فلز از معدود عناصری است که در نیتروژن خالص و دمای 800 درجه سانتی‌گراد می‌سوزد و تیتانیوم نیترید T i N شکننده تولید می‌کند. به دلیل واکنش‌پذیری بالای این عنصر با اکسیژن، نیتروژن و برخی گازهای دیگر، رشته‌های تیتانیومی این فلز در پمپ‌های خلا و بمنظور واکنش با این گازها استفاده می‌شود.

کاربردهای فلز تیتانیوم

فلز تیتانیوم در خودروسازی به خصوص در مسابقات اتومبیلرانی و موتورسیکلت مورد استفاده قرار می گیرد که وزن پایین و استحکام بسیار مهم است. این فلز به طور کلی برای بازار مصرف عمومی بسیار گران است. تیتانیوم در بسیاری از کالاهای ورزشی مانند راکت تنیس ، کلوپ های گلف ، کریکت ، هاکی ، لاکروز ، کلاه ایمنی فوتبال و اجزای دوچرخه مورد استفاده قرار می گیرد. آلیاژهای Ti  در قاب های نمایشی استفاده می شوند که نسبتا گران هستند اما بسیار بادوام ، ماندگار و سبک وزن بوده و باعث ایجاد حساسیت پوستی نمی شوند. بسیاری لوازم از جمله وسایل آشپزی ، ظروف غذاخوری ، فانوس ها  و چادرها از این فلز استفاده می کنند. اگرچه کمی گران تر از جایگزین های فولادی یا آلومینیومی است ولی محصولات تیتانیوم می توانند بدون به خطر انداختن استحکام به میزان قابل توجهی سبک تر باشند . نعل اسبهای تیتانیومی به دلیل اینکه سبک تر و با دوام تر هستند و به فولاد ترجیح داده می شوند. از کاربردهای مهم تیتانیوم می توان به موارد زیر اشاره کرد:

-کاربرد به عنوان آلیاژ

تیتانیوم در فولاد به عنوان یک عنصر آلیاژی برای کاهش اندازه دانه و به عنوان یک اکسید کننده در فولاد ضد زنگ برای کاهش محتوای کربن مورد استفاده قرار می گیرد. این فلز غالبا با آلومینیوم (برای تصحیح اندازه دانه) ، وانادیوم ، مس (برای سخت شدن) ، آهن ، منگنز ، مولیبدن و سایر فلزات آلیاژ می شود. محصولات  تیتانیوم (ورق ، ، میله ، سیم ، چدن) کاربردهایی در بازارهای صنعتی ، هوافضا ، تفریحی و بازارهای نوظهور دارند. تیتانیوم پودر شده در تجهیزات تکنولوژیکی به عنوان منبعی از ذرات سوزاننده استفاده می شود.

-رنگدانه ها ، مواد افزودنی و پوشش ها

این ترکیب برای دودی کردن شیشه ها و صفحه نمایش ها مورد استفاده قرار می گیرد. دی اکسید تیتانیوم رایج ترین ترکیبی است که حدود ۹۵٪ از کل سنگ های تیتانیوم بعد از تصفیه به آن تبدیل می شود. TiO2 یک رنگدانه سفید پایدار است که در رنگ ها ، کاغذ ، خمیر دندان و پلاستیک استفاده می شود. این ترکیب همچنین در سیمان ، سنگهای قیمتی ، به عنوان تعدیل کننده نوری در کاغذ و به عنوان ماده تقویت کننده در کامپوزیت گرافیتی و کلوپ های گلف و میله های ماهیگیری استفاده می شود. رنگدانه TiO2 از نظر شیمیایی بی اثر است و در مقابل نور خورشید مقاومت آن از بین می رود و بسیار مات است. این رنگدانه از سفید خالص و درخشان تا قهوه ای یا خاکستری در اکثر پلاستیک های خانگی یافت می شود. رنگ ساخته شده با TiO2 در دمای شدید و محیط های دریایی به خوبی عمل می کند. این رنگدانه دارای ضریب شکست بسیار بالا و پراکندگی نوری بالاتر از الماس است. علاوه بر اینکه یک رنگدانه بسیار مهم در تولید ضد آفتاب هاست. لوله و تجهیزات فرآوری شده با فلز تیتانیوم (مبدل های حرارتی ، مخازن ، کشتی های فرآیند ، دریچه ها) در صنایع شیمیایی و پتروشیمی در درجه اول برای مقاومت در برابر خوردگی استفاده می شوند. آلیاژهای خاص در کاربردهای حفاری نفت و گاز و هیدرومتالورژی نیکل به دلیل استحکام بالای آنها مقاومت در برابر خوردگی یا هر دو مورد استفاده قرار می گیرد.

-کاربرد در جواهرسازی

این فلز به دلیل دوام بالا برای جواهر سازی (به خصوص حلقه های تیتانیوم) محبوبیت بیشتری پیدا کرده است. عدم واکنش پذیری آن باعث می شود برای افرادی که آلرژی دارند و یا افرادی که در محیط هایی مانند استخر شنا از جواهرات استفاده می کنند ، انتخاب خوبی باشد. این فلز همچنین با طلا آلیاژ تولید کرده و می تواند به عنوان طلای ۲۴ عیار در بازار عرضه شود زیرا سختی طلا را افزایش داده و باعث ماندگاری بیشتر آن می شود. دوام ، وزن سبک و مقاومت در برابر خوردگی باعث می شود تا در تولید مجسمه ها ، اشیاء تزئینی و مبلمان مورد استفاده قرار بگیرد.

-کاربرد در پزشکی

از آنجا که تیتانیوم زیست سازگار است (غیر سمی است و توسط بدن رد نمی شود) در بسیاری از کاربردهای پزشکی از جمله لوازم جراحی و ایمپلنت استفاده می شود. این فلز برای ابزارهای جراحی ، هدایت تصویر و همچنین صندلی های چرخدار ، عصا و سایر محصولات مورد استفاده در جایی که استحکام بالا و وزن کم مد نظر باشد مورد استفاده قرار می گیرد. نانوذرات  TiO2به طور گسترده ای در الکترونیک و تحویل داروهای دارویی و آرایشی استفاده می شود.

خطرات فلز تیتانیوم

هیچ نقش بیولوژیکی شناخته شده ای برای تیتانیوم وجود ندارد. مقدار قابل توجهی از این فلز  در بدن انسان وجود دارد و تخمین زده شده است که ما روزانه حدود ۰.۸ میلی گرم Ti مصرف می کنیم اما بیشتر آن بدون اینکه جذب شود دفع خواهند شد. این فلز سمی نیست و بدن انسان می تواند دوز زیاد آنرا تحمل کند. تیتانیوم و ترکیبات آن سمیت کمی دارند. حیوانات آزمایشگاهی (موشهای صحرایی) که از طریق استنشاق در معرض TiO2  قرار دارند ، مناطق کوچک و موضعی رسوبات گرد و غبار به رنگ تیره در ریه آنها ایجاد شده است. قرار گرفتن در معرض بیش از حد این فلز در انسان ممکن است منجر به تغییرات جزئی در ریه ها شود. اثرات بیش از حد در قرار گرفتن در معرض پودر تیتانیوم و استنشاق گرد و غبار آن ممکن است باعث سفتی و درد در قفسه سینه ، سرفه و مشکل در تنفس شود. تماس با پوست یا چشم نیز ممکن است باعث تحریک شود با اینحال آژانس بین المللی تحقیقات سرطان (IARC) دی اکسید تیتانیوم را در گروه غیر سرطانزا طبقه بندی کرده است.