Το τιτάνιο και οι εφαρμογές του

Abstract

Σκοπός : Η παρούσα διπλωματική αποσκοπεί στην μια παρουσίαση του τιτανίου και των εφαρμογών του. Τα κράματα του τιτανίου του και τα σύνθετα υλικά μήτρας τιτανίου χρησιμοποιούνται στην βιομηχανία και την ιατρική, τα κεραμικά με βάση το τιτάνιο σαν επιστρώσεις και όχι μόνο. Το διοξείδιο του τιτανίου, χρησιμοποιείται σαν πήγμα ή νανοσύνθετο σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών ξεκινώντας από τις χρωστικές ουσίες, τα καλλυντικά και τις οδοντόκρεμες έως τους αισθητήρες, τις φωτοευαισθητοποιημενες ηλιακές κυψελίδες, την πρόληψη και θεραπεία του καρκίνου . Διάρθρωση Μέρος πρώτο: «Εισαγωγικά στοιχεία» Γίνεται μια σύντομη αναδρομή στην ανακάλυψή του , την εργαστηριακή παρασκευή του, στην ορυκτολογία του, καθώς και στα ορυκτά ρουτίλιο και ιλμενίτη, από τα οποία εξάγεται – κυρίως- το τιτάνιο. Ακολουθούν, πινακοποιημένα στοιχεία που αφορούν τα επιβεβαιωμένα αποθέματα απολήψιμων ορυκτών του τιτανίου ανά την υφήλιο και τα αντίστοιχα παραγωγικά στοιχεία που αφορούν τόσο την παραγωγή σπόγγου (βιομηχανικές χρήσεις)όσο και την παραγωγή πήγματος (χρωστικά κτλ) στοιχεία Παρουσιάζονται οι φυσικοχημικές. ιδιότητες του ενώ ιδιαίτερη βαρύτητα δίδεται στην αντοχή του τιτανίου στην διάβρωση , μιας και αποτελεί έναν από τους καθοριστικότερους παράγοντες για την επιλογή του σε μια σειρά κρίσιμων εφαρμογών. Τέλος γίνεται αναφορά στην εξαγωγική μεταλλουργία του τιτανίου και στις αντίστοιχες κοστοβόρες παραγωγικές διαδικασίες. Μέρος δεύτερο: «Υλικά με βάση το τιτάνιο :οι ιδιότητες και οι εφαρμογές τους» Παρουσιάζονται τα κράματα του τιτανίου, είτε αυτά αφορούν τα συμβατικά α, β α+β κράματα είτε τα αλουμινίδια του τιτανίου είτε κράματα μνήμης σχήματος NiTi.. Ξεχωριστές αναφορές γίνονται για τα σύνθετα υλικά μήτρας τιτανίου (Titanium Matrix Composites-TMC) και τα κεραμικά υλικά. Το τιτάνιο και τα κράματά του χρησιμοποιούνται σε μια σειρά κρισίμων εφαρμογών. Προκειμένου να γίνει η απαραίτητη εμβάθυνση για την κατανόηση της επιλογής του τιτανίου και των κραμάτων του για τις διάφορες εφαρμογές είτε στη βιομηχανία είτε στην ιατρική, γίνεται αναφορά στις φυσικοχημικές ιδιότητες , την μικροδομή καθώς και τις μηχανικές ιδιότητες, αυτές που δίδουν στο τιτάνιο τη θέση ως ενός εκ των κρισιμοτέρων υλικών στη βιομηχανία, σε βαθμό τέτοιο που οι ΗΠΑ, διατηρούσαν στο παρελθόν στρατηγικά αποθέματα. Για να είναι δυνατή η αποτίμηση των δυσκολιών, τεχνικών και οικονομικών , στις εφαρμογές, στους λόγους που οδήγησαν στην αντικατάσταση και εκτόπιση παλαιότερων χρησιμοποιούμενων υλικών από το τιτάνιο αλλά και σε πιθανές νέες χρήσεις που διαφαίνονται, αλλά και στις δυσκολίες διείσδυσης στην βιομηχανία λόγω του υψηλού κόστους παραγωγής και διαμόρφωσης σε τελικό προιόν, παρουσιάζονται οι κυριότερες παραγωγικές διαδικασίες, κατεργασίες διαμόρφωσης, μηχανουργικές κατεργασίες, ακολουθουμένη μεθοδολογία συγκόλλησης. Παρουσιάζονται εκτενώς οι διάφορες εφαρμογές σε βιομηχανικούς κλάδους (αεροναυπηγική, αυτοκινητοβιομηχανία, ναυπηγική , χημική και πετροχημική βιομηχανία) αλλά και στην ιατρική και οδοντιατρική. Μέρος τρίτο: «Το διοξείδιο του τιτανίου και οι εφαρμογές του» Επιλέχθηκε να γίνει ξεχωριστή αναφορά στο διοξείδιο του τιτανίου, τόσο γιατί οι παραγόμενες ποσότητες σπόγγου τιτανίου για χρήση στην βιομηχανία είναι πολύ μικρότερες σε σχέση με τις ποσότητες διοξειδίου του τιτανίου (1:25), αλλά και διότι το διοξείδιο του τιτανίου , είτε ως πηγμέντο είτε ως νανουλικό τα τελευταία χρόνια, βρίσκει εφαρμογή κυρίως λόγω της φωτοκαταλυτικής του ικανότητας, σε τόσο διαφορετικούς τομείς που εκτείνονται από τα χρώματα, τα ευρείας κατανάλωσης προϊόντα (αντηλιακά, οδοντόκρεμες , αποσμητικά), εφαρμογών της φωτοκατάλυσης,, μέχρι πρωτοποριακές χρήσεις όπως αποθήκευση υδρογόνου. Ιδιαίτερη αναφορά γίνεται στα νανοσύνθετα υλικά του διοξειδίου του τιτανίου και στην διερεύνηση πιθανών μελλοντικών εφαρμογών όπως η παραγωγή και αποθήκευση υδρογόνου, αισθητήρες, μπαταρίες , Φωτοευαισθητοποιημενες ηλιακές κυψελίδες πρόληψη και θεραπεία του καρκίνου. Ακολούθως παρουσιάζεται εκτενώς το θεωρητικό υπόβαθρο που αφορά την φωτοδιέγερση – φωτοκατάλυση, την υπερυδροφιλικότητα. Τέλος , παρουσιάζονται εφαρμογές της φωτοκαταλυτικής ικανότητας του διοξειδίου του τιτανίου, στην φωτοκαταλυτική οξείδωση αερίων ρύπων, υγρών αποβλήτων, σαν μέθοδο αποστείρωσης , στα αυτοκαθαριζόμενα υφάσματα και δομικά υλικά.

purpose: This thesis aims at a presentation of titanium and its applications. The alloys of titanium and titanium matrix composites used in industry and medicine, ceramic based coatings like titanium and further more. Titanium dioxide is used as gel or nanocomposite in a range of applications, starting from the pigments, cosmetics and toothpaste to the sensors, the photosensitized solar cells, the prevention and treatment of cancer. structure Part One: "Entering data" It is a brief review of the discovery, laboratory preparation, mineralogy, as well as in mineral rutile and ilmenite from which titanium iw mainly exported .Then, tabulated data are presented on proven reserves of the extractable minerals of titanium in the world and the corresponding output data for both the production of sponge (industrial uses) and the production of silica (coloring etc) data Physicochemical. Properties are presented with particular emphasis given to the strength of titanium to corrosion, since it is one of the decisive factors for the choice of a number of critical applications. Finally reference is made in extractive metallurgy of titanium and the respective costly manufacturing processes. Part Two: "Materials titanium based: properties and applications" Featured titanium alloys, either the conventional a, b ,a + b alloys nor ther titanium aluminides or shape memory alloys NiTi . Separately reports are made for titanium matrix composites (Titanium Matrix Composites-TMC) and ceramics . Titanium and its alloys are used in a number of critical applications. In order to make the necessary depth for the understanding of the choice of titanium and its alloys for various applications either in industry in medicine, referring is made to the physicochemical properties, microstructure and mechanical properties, which give titanium the position as one of the most critical materials in the industry to such an extent that the U.S. had in the past strategic reserves. To enable the assessment of difficulties, technical and finance applications, the reasons that led to the replacement and displacement of older used materials from titanium but also potential new uses are emerging, but the difficulties of penetration in industry because of the high cost production and formulation to final product, the main production processes, shaping treatments, machining, welding methodology followed are presented. Featured extensively various applications in industrial sectors (aerospace, automotive, shipbuilding, chemical and petrochemical industry) but also in medicine and dentistry. Part Three: "Titanium dioxide and its applications" It was chosen that titanium dioxide, should be presented separately both because the quantities produced titanium sponge for use in industry is much smaller compared to those of titanium dioxide (1:25 ratio), and because titanium dioxide, either as a pigment or as nanomaterials in recent years, finds application mainly because of the photocatalytic capacity, in such diverse areas ranging from paints, consumer products (sunscreen, toothpaste, deodorant), applications of photocatalysis, up to innovative uses as hydrogen storage. Particular reference is made to nanocomposites of titanium dioxide and explore possible future applications such as hydrogen production and storage, sensors, batteries, solar cells photosensitized prevention and treatment of cancer. Subsequently presented extensively the theoretical background on the photoexcitationphotocatalysis, the yperydrofilicity. Finally, illustrate embodiments of the photocatalytic ability of the titanium dioxide in the photocatalytic oxidation of gaseous pollutants, waste water, like the sterilizing method, the self-cleaning textiles and building materials.