Гидрид титана
 Порошок гидрида титана
| |
| Имена | |
|---|---|
| Название ИЮПАК
дигидрид титана (с дефицитом водорода)
| |
| Идентификаторы | |
| Информационная карта ECHA | 100.028.843 |
ПабХим CID
|
|
| НЕКОТОРЫЙ | |
Панель управления CompTox ( EPA )
|
|
| Характеристики | |
| TiH 2− x | |
| Молярная масса | 49.88 g/mol ( ТиХ 2 ) |
| Появление | черный порох (торговая форма) |
| Плотность | 3,76 г/см 3 (типичная коммерческая форма) |
| Температура плавления | Разлагается |
| нерастворимый | |
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа).
| |
Гидрид титана обычно относится к неорганическим соединениям. TiH 2 и родственные ему нестехиометрические материалы. [ 1 ] [ 2 ] Он коммерчески доступен в виде стабильного серого/черного порошка, который используется в качестве добавки при производстве спеченных магнитов Alnico , при спекании порошкообразных металлов, производстве металлической пены , производстве металлического порошка титана и в пиротехнике. [ 3 ]
Также известный как сплав титана с водородом . [ 4 ] [ 5 ] это сплав [ 6 ] титана водорода , . и, возможно, других элементов Когда водород является основным легирующим элементом, его содержание в гидриде титана составляет от 0,02% до 4,0% по массе. Легирующие элементы, намеренно добавленные для изменения характеристик гидрида титана, включают галлий , железо , ванадий и алюминий .
Производство
[ редактировать ]В коммерческом процессе производства нестехиометрических TiH 2- x , металлическая губка титана обрабатывается газообразным водородом при атмосферном давлении и температуре 300-500 °C. Поглощение водорода экзотермично и быстро, цвет губки меняется на серый/черный. Хрупкий продукт измельчают до порошка, имеющего состав около ТиХ 1,95 . [ 3 ] В лаборатории гидрид титана получают путем нагревания титанового порошка в токе водорода при температуре 700 °C. Идеальное уравнение имеет вид: [ 7 ]
- Ти + Н 2 → ТиН 2
Другие методы производства гидрида титана включают электрохимические методы и методы шаровой мельницы. [ 8 ] [ 9 ]
Реакции
[ редактировать ]TiH 1.95 не подвержен воздействию воды и воздуха. [ нужна ссылка ] Он медленно подвергается воздействию сильных кислот и разлагается плавиковой и горячей серной кислотами. Он быстро реагирует с окислителями, эта реакционная способность привела к использованию гидрида титана в пиротехнике. [ 3 ]
Материал использовался для производства водорода высокой чистоты, который выделяется при нагревании твердого вещества. [ 7 ] Выделение водорода в TiH ~2 начинается чуть выше 400 ° C, но может не завершиться до точки плавления металлического титана. [ 10 ] [ 3 ] титана Тритид (Ti 3 H x ) был предложен для долгосрочного хранения газообразного трития . [ 11 ]
Структура
[ редактировать ]Как TiH x приближается к стехиометрии, он принимает искаженную объемно-центрированную тетрагональную структуру, называемую ε-формой, с осевым соотношением менее 1. Эта композиция очень нестабильна в отношении частичного термического разложения, если ее не поддерживать в атмосфере чистого водорода. В противном случае состав быстро разлагается при комнатной температуре до примерного состава TiH 1,74 . Достигнут [ нужна ссылка ] Этот состав принимает структуру флюорита и называется δ-формой и лишь очень медленно термически разлагается при комнатной температуре до тех пор, пока его состав не станет приблизительным: Достигается TiH 1,47 , после чего начинают появляться включения гексагональной плотноупакованной α-формы, той же формы, что и чистый титан.
Довольно подробно исследовано выделение дигидрида из металлического титана и водорода. α-Титан имеет гексагональную плотноупакованную (ГПУ) структуру при комнатной температуре. Водород изначально занимает тетраэдрические междоузлия в титане. Когда соотношение H/Ti приближается к 2, материал принимает β-форму к гранецентрированной кубической (ГЦК) δ-форме, атомы H в конечном итоге заполняют все тетраэдрические позиции, что дает предельную стехиометрию ТиХ 2 . Различные этапы описаны в таблице ниже.
| Фаза | Масса % H | Атомный % H | ТиХ х | Металлическая решетка |
|---|---|---|---|---|
| а | 0 – 0.2 | 0 – 8 | ТиХ 0 – ТиХ 0,1 | ГЦП |
| а и б | 0.2 – 1.1 | 8 – 34 | Тих 0,1 – ТиХ 0,5 | |
| б | 1.1 – 1.8 | 34 – 47 | Тих 0,5 – ТиХ 0,9 | СК |
| б и д | 1.8 – 2.5 | 47 – 57 | Тих 0,9 – ТиХ 1.32 | |
| д | 2.7 – 4.1 | 57 – 67 | ТиХ 1,32 – ТиХ 2 | ФКК |
Если гидрид титана содержит 4,0% водорода при температуре менее 40 ° C, то он превращается в объемно-центрированную тетрагональную (ОЦТ) структуру, называемую ε-титаном. [ 12 ]
Когда гидриды титана с содержанием водорода менее 1,3%, известные как доэвтектоидные гидриды титана, охлаждаются, фаза β-титана смеси пытается вернуться в фазу α-титана, что приводит к избытку водорода. Одним из способов выхода водорода из фазы β-титана является частичное превращение титана в δ-титан, оставляя после себя титан с достаточно низким содержанием водорода, чтобы принять форму α-титана, в результате чего образуется матрица α-титана с δ. - титановые включения.
Сообщалось о метастабильной фазе гидрида γ-титана. [ 13 ] α-гидрида титана с содержанием водорода 0,02–0,06% При быстрой закалке он превращается в γ-гидрид титана, поскольку атомы «застывают» на месте при изменении структуры ячейки с ГПУ на ГЦК. γ-Титан имеет объемноцентрированную тетрагональную (ОЦТ) структуру. Более того, не происходит никаких изменений в составе, поэтому атомы обычно сохраняют своих соседей.
Водородное охрупчивание титана и титановых сплавов.
[ редактировать ]
Поглощение водорода и образование гидрида титана являются источником повреждения титана и титановых сплавов. Этот процесс водородного охрупчивания вызывает особую озабоченность, когда титан и его сплавы используются в качестве конструкционных материалов, например, в ядерных реакторах.
Водородное охрупчивание проявляется в виде снижения пластичности и, в конечном итоге, отслаивания титановых поверхностей. Влияние водорода в значительной степени определяется составом, историей металлургии и обращением с титаном и его сплавом. [ 14 ] CP-титан ( техническая чистота : содержание Ti ≤99,55%) более восприимчив к водородному воздействию, чем чистый α-титан. Охрупчивание, наблюдаемое как снижение пластичности и вызванное образованием твердого раствора водорода, может возникать в CP-титане при таких низких концентрациях, как 30-40 ppm. Образование гидридов связано с присутствием железа на поверхности сплава Ti. Частицы гидрида наблюдаются в сваренных образцах Ti и Ti-сплавов, поэтому сварку часто проводят в среде инертного газа, чтобы уменьшить возможность образования гидридов. [ 14 ]
Ti и его сплавы образуют поверхностный оксидный слой , состоящий из смеси оксидов Ti(II) , Ti(III) и Ti(IV) . [ 15 ] который обеспечивает определенную степень защиты водорода, попадающего в объем. [ 14 ] Толщину можно увеличить путем анодирования — процесса, который также приводит к появлению характерного цвета материала. Ti и его сплавы часто используются в водородосодержащих средах и в условиях, когда водород восстанавливается электролитически на поверхности. Травление , обработка кислотной ванной, используемая для очистки поверхности, может быть источником водорода.
Использование
[ редактировать ]Общие области применения включают керамику , пиротехнику , спортивное оборудование , в качестве лабораторного реагента , вспенивателя и предшественника пористого титана. При нагревании в смеси с другими металлами в порошковой металлургии гидрид титана выделяет водород, который удаляет углерод и кислород, образуя прочный сплав. [ 3 ]
Плотность . гидрида титана варьируется в зависимости от легирующих компонентов, но для чистого гидрида титана она колеблется от 3,76 до 4,51 г/см 3 .
Даже в узком диапазоне концентраций, составляющих гидрид титана, смеси водорода и титана могут образовывать множество различных структур с очень разными свойствами. Понимание таких свойств необходимо для производства качественного гидрида титана. При комнатной температуре наиболее стабильной формой титана является альфа-титан с гексагональной плотноупакованной (HCP) структурой. Это довольно твердый металл, который может растворять лишь небольшую концентрацию водорода, не более 0,20% масс. при 464 °C (867 °F) и только 0,02% при 25 °C (77 °F). Если гидрид титана содержит более 0,20% водорода при температурах производства гидрида титана, он превращается в объемно-центрированную кубическую (BCC) структуру, называемую β-титаном. Он может растворять значительно больше водорода, более 2,1% водорода при температуре 636 ° C (1177 ° F). Если гидрид титана содержит более 2,1% при 636 ° C (1177 ° F), то он превращается в гранецентрированную кубическую (FCC) структуру, называемую δ-титаном. Он может растворять еще больше водорода, до 4,0% водорода при температуре 37 ° C (99 ° F), что отражает максимальное содержание водорода в гидриде титана. [ 16 ]
Существует множество типов процессов термообработки гидрида титана. Наиболее распространенными являются отжиг и закалка. Отжиг — это процесс нагревания гидрида титана до достаточно высокой температуры, чтобы его размягчить. Этот процесс происходит в три фазы: восстановление , рекристаллизация и рост зерна . Температура, необходимая для отжига гидрида титана, зависит от типа отжига. Отжиг необходимо проводить в атмосфере водорода, чтобы предотвратить выделение газа .
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . ISBN 978-0-08-037941-8 .
- ^ Холлеман, А.Ф.; Виберг, Э. «Неорганическая химия» Academic Press: Сан-Диего, 2001. ISBN 0-12-352651-5 .
- ^ Jump up to: а б с д и Риттмайер, Питер; Вейтельманн, Ульрих (2005). «Гидриды». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайли-ВЧ. дои : 10.1002/14356007.a13_199 . ISBN 978-3-527-30673-2 .
- ^ Маккуиллан, AD (22 декабря 1950 г.). «Экспериментальное и термодинамическое исследование системы водород-титан» . Труды Королевского общества А. 204 (1078): 309–323. Бибкод : 1950РСПСА.204..309М . дои : 10.1098/rspa.1950.0176 . S2CID 135759594 . Проверено 10 марта 2013 г.
- ^ Беннетт, Л.Х. (1980). «Ядерный магнитный резонанс в сплавах» . Дело МРС . 3 . дои : 10.1557/PROC-3-3 . Проверено 10 марта 2013 г.
- ^ Ван, Синь-Цюань; Ван, Цзянь-Тао (15 июня 2010 г.). «Структурная стабильность и диффузия водорода в TiH x сплавах » . Твердотельные коммуникации . 150 (35–36): 1715–1718. Бибкод : 2010SSCom.150.1715W . дои : 10.1016/j.ssc.2010.06.004 . Проверено 10 марта 2013 г.
- ^ Jump up to: а б М. Бодлер «Водород, дейтерий, вода» в Справочнике по препаративной неорганической химии, 2-е изд. Под редакцией Г. Брауэра, Academic Press, 1963, Нью-Йорк. Том. 1. п. 114-115.
- ^ Милленбах, Полина; Гивон, Меир (1 октября 1982 г.). «Электрохимическое образование гидрида титана» . Журнал менее распространенных металлов . 87 (2): 179–184. дои : 10.1016/0022-5088(82)90086-8 . Проверено 10 марта 2013 г.
- ^ Чжан, Хэн; Киси, Эрих Х (1997). «Образование гидрида титана при комнатной температуре путем шарового измельчения». Физический журнал: конденсированное вещество . 9 (11): Л185–Л190. Бибкод : 1997JPCM....9L.185Z . дои : 10.1088/0953-8984/11.09.005 . ISSN 0953-8984 . S2CID 250853926 .
- ^ Полин, Ирена; Доник, Чертомир; Мандрино, Джордже; Вончина, Майя; Дженко, Моника (январь 2012 г.). «Характеристика поверхности порошка гидрида титана» . Вакуум . 86 (6): 608–613. дои : 10.1016/j.vacuum.2011.07.054 .
- ^ Браун, Чарльз К.; Буксбаум, Роберт Э. (июнь 1988 г.). «Кинетика поглощения водорода в альфа-титане». Металлургические операции А . 19 (6): 1425–1427. Бибкод : 1988MTA....19.1425B . дои : 10.1007/bf02674016 . S2CID 95614680 .
- ^ Jump up to: а б Фукай, Ю. (2005). Система металл-водород. Основные объемные свойства. 2-е издание . Спрингер. ISBN 978-3-540-00494-3 .
- ^ Нумакура, Х; Койва, М; Асано, Х; Идзуми, Ф (1988). «Нейтронографическое исследование метастабильного γ-дейтерида титана». Акта Металлургика . 36 (8): 2267–2273. дои : 10.1016/0001-6160(88)90326-4 . ISSN 0001-6160 .
- ^ Jump up to: а б с Доначи, Мэтью Дж. (2000). Титан: Техническое руководство . АСМ Интернешнл. ISBN 978-0-87170-686-7 .
- ^ Лу, Банда; Бернасек, Стивен Л.; Шварц, Джеффри (2000). «Окисление поверхности поликристаллического титана кислородом и водой». Поверхностная наука . 458 (1–3): 80–90. Бибкод : 2000SurSc.458...80L . дои : 10.1016/S0039-6028(00)00420-9 . ISSN 0039-6028 .
- ^ Сетояма, Дайго; Мацунага, Дзюнджи; Мута, Хироаки; Уно, Масаёхи; Яманака, Синсуке (3 ноября 2004 г.). «Механические свойства гидрида титана». Журнал сплавов и соединений . 381 (1–2): 215–220. дои : 10.1016/j.jallcom.2004.04.073 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]
СМИ, связанные с гидридом титана, на Викискладе?
