هیدرید تیتانیوم : خواص، روش تولید، ساختار، کاربرد و تجزیه حرارتی!

 

هیدرید تیتانیوم ترکیبی معدنی است که از نظر تجاری به صورت پودر خاکستری یا سیاه رنگ پایدار وجود دارد که به عنوان افزودنی در تولید آهن ربا های متخلخل Alnico، در پخت فلزات پودر شده، تولید کف فلز، تولید فلز تیتانیوم پودر شده و در صنایع شیمیایی استفاده می شود.

 

کاربردهای معمول این ماده در صنایع سرامیک، مواد شیمیایی، تجهیزات ورزشی، به عنوان یک معرف آزمایشگاهی، به عنوان یک عامل دمنده و به عنوان پیش ماده تیتانیوم متخلخل می باشد.

 

هنگامی که این ترکیب به عنوان مخلوط با سایر فلزات در متالورژی پودر گرم می شود، هیدرید تیتانیوم هیدروژن آزاد می کند که برای حذف کربن و اکسیژن عمل می کند و یک آلیاژ قوی تولید می کند.

 

خواص و مشخصات شناسایی هیدرید تیتانیوم

 

خواص  مشخصات
شکل فیزیکی                                                       پودر سیاه رنگ فرمول شیمیایی                                                                   TiH۲−x
دانسیته                                                                  (g/cm۳)۳.۷۶ وزن مولکولی (TiH۲)                                               (g/mol) 49.88
نقطه ذوب                                                                 (۰C) 350 شماره (CAS No)                                                        ۷۷۰۴-۹۸-۵
حلالیت در آب                                                               نامحلول نام آیوپاک                   titanium dihydride (hydrogen deficient)

 

تولید TiH(۲-x)

 

در فرآیند تجاری تولید TiH غیر استوکیومتری (۲-x)، اسفنج فلزی تیتانیوم با گاز هیدروژن در فشار اتمسفر بین ۳۰۰-۵۰۰ درجه سانتیگراد تصفیه می شود. جذب هیدروژن گرمازا و سریع است و باعث تغییر رنگ خاکستری یا سیاه اسفنج می شود. محصول شکننده تبدیل به پودر می شود که دارای ترکیبی در حدود TiH۱.۹۵ است.

 

در آزمایشگاه، هیدرید تیتانیوم از طریق حرارت دادن پودر تیتانیوم تحت محیط دارای هیدروژن در جریان در ۷۰۰ درجه سانتیگراد تولید می شود، معادله ایده آل:

 

Ti + H۲ → TiH۲

از دیگر روش های تولید هیدرید تیتانیوم می توان به روش های الکتروشیمیایی و فرز توپی اشاره کرد.

 

واکنش های هیدرید تیتانیم

 

واکنش های هیدرید تیتانیم

 

TiH۱.۹۵ تحت تأثیر آب و هوا قرار نمی گیرد و به آرامی توسط اسیدهای قوی مورد حمله قرار می گیرد و همچنین توسط اسیدهای سولفوریک هیدروفلوئوریک و گرم تخریب می شود. این ترکیب به سرعت با عوامل اکسید کننده واکنش می دهد، که این واکنش منجر به استفاده از هیدرید تیتانیوم در مواد شیمیایی می شود.

 

از این ماده برای تولید هیدروژن بسیار خالص استفاده شده است که با گرم شدن ماده جامد از ۳۰۰ درجه سانتیگراد آزاد می شود و تفکیک فقط در نقطه ذوب تیتانیوم کامل انجام می شود. تریتیید تیتانیوم برای ذخیره طولانی مدت گاز تریتیوم پیشنهاد شده است.

 

ساختار تیتانیوم هیدرید

 

ساختار

 

همانطور که TiHx به استوکیومتری نزدیک می شود، یک ساختار چهار ضلعی بدون محور تحریف شده را به خود می گیرد، فرم ε با نسبت محوری کمتر از ۱ نامیده می شود. این ترکیب با توجه به تجزیه حرارتی جزئی بسیار ناپایدار است، مگر اینکه در یک جو هیدروژن خالص حفظ شود.

 

در غیر این صورت، ترکیب به سرعت در دمای اتاق تجزیه می شود تا زمانی که به یک ترکیب تقریبی TiH۱.۷۴ برسد. این ترکیب ساختار فلوریت را تصویب می کند و به آن δ شکل می گویند و فقط در دمای اتاق به آرامی تجزیه می شود تا زمانی که به یک ترکیب تقریبی TiH۱.۴۷ برسیم، در آن زمان، اجزاء بسته بندی شکل شش ضلعی، که همان فرم تیتانیوم خالص است، شروع به ظاهر شدن می کنند.

 

سیر تکامل دی هیدرید از فلز تیتانیوم و هیدروژن

 

سیر تکامل دی هیدرید از فلز تیتانیوم و هیدروژن

 

α-تیتانیوم دارای ساختار بسته بندی شش ضلعی نزدیک (hcp) در دمای اتاق است. هیدروژن در ابتدا سایت های بین چهار ضلعی در تیتانیوم را اشغال می کند و با نزدیک شدن نسبت H / Ti به ۲، مواد، فرم β را به مکعبی (fcc)، شکل δ- می رسانند، در نهایت اتم های H تمام سایت های چهار ضلعی را پر می کنند تا استوکیومتری محدود TiH۲ را ایجاد کنند. مراحل مختلف در تصویر جدول بالا شرح داده شده است.

 

اگر هیدرید تیتانیوم حاوی ۴.۰٪ هیدروژن در دمای کمتر از ۴۰ درجه سانتیگراد باشد، آن را به یک ساختار چهار ضلعی (bct) به نام ε-تیتانیوم تبدیل می کند. هنگامی که هیدریدهای تیتانیوم با هیدروژن کمتر از ۱.۳٪، معروف به هیدرید تیتانیوم هیپوکتکتوئید، خنک می شوند، فاز β-تیتانیوم مخلوط سعی می کند به فاز α-تیتانیوم برگردد و در نتیجه هیدروژن اضافی ایجاد می کند.

 

یکی از راه های خروج هیدروژن از فاز β-تیتانیوم این است که تیتانیوم تا حدی به δ-تیتانیوم تبدیل شود و تیتانیوم را به اندازه کافی کم هیدروژن پشت سر بگذارد تا شکل α-تیتانیوم را بدست آورد و در نتیجه یک ماتریس α-تیتانیوم با δ ایجاد شود.

 

هنگامی که هیدرید α-تیتانیوم با محتوای هیدروژن ۰۶ / ۰-۰۲ / ۰٪ به سرعت پایدار می شود، به هیدرید γ-تیتانیوم تبدیل می شود، زیرا با تغییر ساختار سلول از hcp به fcc، اتم ها در جای خود “یخ می شوند”. γ-تیتانیوم ساختاری متمرکز بر چهار ضلعی (bct) دارد. علاوه بر این، هیچ تغییری در ترکیب وجود ندارد بنابراین اتم ها به طور کلی همسایگان خود را حفظ می کنند.

 

تردی هیدروژن در آلیاژهای تیتانیوم

 

تردی هیدروژن در آلیاژهای تیتانیوم

 

جذب هیدروژن و تشکیل هیدرید تیتانیوم منبع آسیب رساندن به آلیاژهای تیتانیوم و تیتانیوم (آلیاژهای Ti / Ti) است. این فرآیند شکنندگی هیدروژن هنگامی که از تیتانیوم و آلیاژهای آن به عنوان مواد ساختاری مانند راکتورهای هسته ای استفاده می شود، مورد توجه خاص قرار می گیرد.

 

تردی هیدروژن به عنوان کاهش شکل پذیری و در نهایت جوش خوردن سطوح تیتانیوم آشکار می شود. اثر هیدروژن تا حدود زیادی توسط ترکیب، تاریخچه متالورژی و نحوه استفاده از آلیاژ Ti / Ti تعیین می شود. تیتانیوم CP (خالص تجاری: محتوای ۹۹.۵۵٪ Ti) نسبت به α-تیتانیوم خالص حساس به حمله هیدروژن است.

 

شکنندگی، که به عنوان کاهش شکل پذیری مشاهده می شود و ناشی از تشکیل محلول جامد هیدروژن است، می تواند در تیتانیوم CP در غلظت های ppm 30-40 رخ دهد. تشکیل هیدرید با وجود آهن در سطح آلیاژ Ti ارتباط دارد. ذرات هیدرید در نمونه های آلیاژهای Ti / Ti که جوش داده شده اند مشاهده می شود و به همین دلیل جوشکاری اغلب تحت یک محافظ گاز بی اثر انجام می شود تا احتمال تشکیل هیدرید کاهش یابد.

 

آلیاژهای Ti / Ti یک لایه اکسید سطحی تشکیل می دهند که از مخلوطی از اکسیدهای Ti (II) ، Ti (III) و Ti (IV) تشکیل شده است که درجه ای از محافظت از هیدروژن وارد شده به حالت بالک ماده را فراهم می کند. ضخامت را می توان با آندایزینگ افزایش داد، فرایندی که منجر به رنگ آمیزی متمایز مواد نیز می شود.

 

آلیاژهای Ti / Ti اغلب در محیط های حاوی هیدروژن و در شرایطی که هیدروژن به صورت الکترولیتی روی سطح کاهش می یابد، استفاده می شود. پیکلینگ نیز، که یک روش حمام اسید برای تمیز کردن سطح استفاده می شود، می تواند منبع هیدروژن باشد.

 

تجزیه حرارتی هیدرید تیتانیوم

 

تجزیه حرارتی

 

تأثیر میزان گرمای زیاد بر رفتار تجزیه حرارتی پودر هیدرید تیتانیوم (TiH۲) در هوا، عنوان مقاله ای است که در سال ۲۰۱۳ منتشر شده است. در این مطالعه، منحنی DTA و TGA پودر هیدرید تیتانیوم در هوا با نرخ گرمایش مختلف تعیین گردیده است و همچنین رفتار تجزیه حرارتی در نرخ گرمایش بالا نیز مورد توجه قرار گرفته است.

 

دستیابی به موفقیت بزرگ در زمینه تحقیق به تصویر کشیدن منحنی های P H۲-time پودر TiH۲ در دماهای مختلف هوا بوده است. مطابق با نتایج، افزایش سرعت گرمایش به درجات بالاتر روند آزاد سازی هیدروژن از پودر هیدرید تیتانیوم را تغییر نمی دهد، در حالی که آن را از انتشار داخلی به واکنش شیمیایی تبدیل می کند.

 

در دمای کمتر از ۶۰۰ درجه سانتیگراد، به دنبال انتشار اتم های هیدروژن و اکسیژن در شبکه تیتانیوم، لایه های نازک فاز TiH x و اکسیدها روی سطح پودر تشکیل می شوند و روند را کنترل می کنند. برعکس، از ۷۰۰ درجه سانتیگراد به بالا، فرآیند توسط اکسیداسیون پودر هیدرید تیتانیوم کنترل می شود. در حقیقت، اکسیداسیون پودر از حدود ۶۵۰ درجه سانتیگراد شروع می شود و ممکن است به دنبال افزایش میزان گرمایش نیز تشدید شود.