기능성 소재
형상 기억, 초전도성 및 수소 저장: 티타늄의 세 가지 비구조적 용도
티타늄에 대해 쓰여진 거의 모든 것은 그것을 구조 재료 — 가볍고 강하며 내식성으로 취급합니다. 가장 중요한 비구조적 용도 중 세 가지는 반대 방향에서 나옵니다: 그들은 결정 구조가 얼마나 많은 하중을 지탱하는지가 아니라 변화할 때 결정 구조가 하는 일을 활용합니다.
기능성 티타늄은 구조용 티타늄과는 다른 분야입니다. 그 부분이 무엇을 해야 하는지 알려주시면 그것이 우리의 범위에 속하는지 명확하게 말씀드리겠습니다. 요구 사항을 보냅니다
두 가지 속성, 세 가지 산업
구조용 티타늄은 특정 강도와 내식성을 위해 선택됩니다. 기능성 티타늄은 격자 내부에서 일어나는 일을 위해 선택됩니다. 둘 다 동일한 출발점에서 나옵니다: 티타늄은 옆에있는 원소와 안정적인 상을 형성하고 구성과 온도에 의해 제어 될 수있는 방식으로 결정 구조를 변경합니다.
아래 세 가지 응용 프로그램 중 어느 것도 구조 부품의 변형이 아닙니다. 그들은 같은 근본적인 이유로 티타늄을 구입하는 별도의 산업입니다.
형상 기억과 초탄성
가장 친숙한 기능성 티타늄 소재는 전혀 공장 제품 합금이 아닙니다. NiTi 또는 니티놀로 알려진 대략 등원자 니켈과 티타늄입니다. 해당 조성 근처에서 합금은 실온에 가까운 가역적 마르텐사이트 변형을 겪습니다. 변형 온도 이하로 변형하면 변형이 유지됩니다; 따뜻하게 하면 부품이 설정된 모양으로 돌아갑니다. 변형 온도 이상에서는 동일한 합금이 초탄성입니다. — 큰 변형을 수용하고 하역 시 다시 튀어 나옵니다.
두 행동 모두 하나의 메커니즘에서 비롯되며 둘 다 구성에 비정상적으로 민감합니다. 니켈 함량이 1퍼센트만 이동하면 변환 온도가 수십도 이동합니다. 이것이 바로 NiTi가 화학 단독이 아닌 변환 온도로 구입되는 이유이며, 구조 등급보다 용융 제어가 더 중요한 이유입니다.
초전도성
초전도 자석—신체 스캐너 또는 입자 가속기의 종류—은 대부분 니오븀과 티타늄인 와이어로 감겨 있습니다. 유용한 조성물은 46 내지 47 중량 퍼센트 티타늄 근처에 위치한다. 초전도 거동은 니오븀-티타늄 상에서 발생하지만 합금이 파손되지 않고 구리 안정제 내부의 미세한 필라멘트로 끌어내릴 수 있을 만큼 연성이 있기 때문에 와이어가 존재합니다.
이것이 다른 두 가지 용도와의 관통선입니다: 티타늄 야금은 다른 재료를 제조 가능하게 만드는 데 사용되고 있습니다.
수소 저장
티타늄-철 및 티타늄-망간 금속간 화합물은 적당한 압력에서 수소를 가역적으로 흡수하고 가열 시 방출합니다. 서류상으로는 고체 수소 탱크이며 호기심이라기보다는 진정한 작업 라인입니다. 또한 일반적으로 인기 있는 설명에서 제외되는 세 가지 엄격한 제한이 있습니다.
- 활성화。 새로운 합금은 표면 산화물을 분해하기 위해 압력과 온도 하에서 순환될 때까지 전혀 흡수되지 않는 경우가 많습니다.
- 용량 감소。 반복적인 흡수 및 탈착은 격자를 손상시키므로 사용 가능한 용량은 사이클 수명 동안 감소합니다.
- 중량 측정 용량. 합금 단위 질량당 저장된 수소의 질량은 적당하므로 압축 실린더가 작동하는 곳마다 기술이 불리합니다.
세 가족이 공유하는 것
| 사용법 | 합금 가족 | 착취된 재산 | 그것을 제한하는 것 |
|---|---|---|---|
| 형상 기억과 초탄성 | 니켈-티타늄, 대략 등원자 | 서비스 온도 근처의 가역적 마르텐사이트 변환 | 변환 온도는 조성의 일부 비율로 표류합니다; 좁은 사용 가능한 온도 대역 |
| 초전도선 | 니오븀-티타늄, Ti 47wt% 근처 | 티타늄으로 인발성을 제공하는 Nb-Ti 상의 무손실 전류 | 극저온 냉각이 필요합니다; 전체 와이어는 위상 단독이 아닌 드로잉 경로를 위해 만들어집니다 |
| 수소 저장 | 티타늄-철, 티타늄-망간 금속간 화합물 | 적당한 압력에서 가역적 수소화물 형성 | 활성화 주기, 용량 감소, 적당한 중량 측정 용량 |
왜 같은 두 문제가 계속 나타나는가
간질 환자。 구조적 티타늄에서는 산소와 질소가 등급 제한이 존재하는 이유이며 서비스 전에 알파 케이스를 제거해야 하는 이유입니다. 이러한 기능성 합금에서는 저장 합금이 퇴색되는 이유와 변환 온도가 표류하는 이유가 동일한 간질입니다. 야금학 분야는 동일합니다; 고장 모드만 변경됩니다.
구성 내성. 세 계열 모두 구조적 등급보다 구성에 훨씬 더 크게 의존하는 특성으로 지정됩니다. 이는 품질 주장의 무게를 인장 시험에서 용융 제어 및 화학 분석으로 옮깁니다. — 특성은 나중에 가공을 통해 복구할 수 없습니다.
우리 자신의 일이 있는 곳
우리의 범위는 구조 티타늄입니다: 공장 제품, 단조품 및 가공 부품. 우리가 이 세 가지 계열을 설명하는 이유는 기술적인 대화에서 등장하기 때문이며, 야금학은 티타늄이 우리가 제공하는 응용 분야에서 티타늄이 작동하는 방식을 설명하기 때문입니다. 그것은 제품 범위가 아닙니다.
자주 묻는 질문
일반 질문
니티놀은 티타늄 합금인가요?
예。 원자에 의해 대략 반은 티타늄이고 반은 니켈이므로 티타늄 등급 목록에서 구입하지 않더라도 일반적인 의미에서 티타늄 합금입니다. 화학 물질이 아닌 변형 온도로 판매됩니다. 왜냐하면 그것이 부품이 의존하는 특성이기 때문입니다.
초전도 자석에 순수한 금속이 아닌 니오븀-티타늄이 사용되는 이유는 무엇입니까?
와이어를 그려야 하기 때문이다. 니오븀-티타늄은 미세한 필라멘트로 환원될 수 있을 만큼 연성이 있으며 구리 안정제와 함께 그려져 실용적인 도체를 만듭니다. 종이에 더 나은 초전도 거동을 갖는 재료는 수 킬로미터의 와이어로 형성될 수 없다면 아무 소용이 없습니다.
티타늄은 수소를 저장할 수 있습니까?
티타늄-철 및 티타늄-망간 금속간 화합물은 수소를 가역적으로 흡수하고 방출하므로 원칙적으로 그렇습니다. 실제로 합금은 흡수되기 전에 활성화 사이클이 필요하며, 사이클링으로 인해 격자가 손상됨에 따라 용량이 손실되고, 압축된 실린더에 대한 중량 용량은 적당합니다. 실제 한계가 있는 실제 옵션입니다.
이 합금은 사용 시 5등급처럼 작동합니까?
아니요. 이는 구조 재료가 아니며 그 특성은 5등급의 변화가 아닙니다. — 변환 온도, 임계 전류 또는 수소 용량에 대해 지정되며 그 중 어느 것도 강도 특성이 아닙니다. 하나를 구조적 등급을 대체하는 것으로 취급하는 것은 범주 오류입니다.