1.Тип решетки и векторы (прямой и обратной):
Риc.1 - прямая решётка α-титана
Риc.2 - Векторы трансляций прямой решетки (а) и обратной решетки (б)
2. свойства α-титана[1]:
|
Название, символ, номер |
Титан (Ti), 22 |
|
Атомная масса (молярная масса) |
47,867(г/моль) |
|
Электронная конфигурация |
[Ar] 3d2 4s2 |
|
Радиус атома |
147 пм |
|
Структура решётки |
гексагональная плотноупакованная (α-Ti) |
|
Параметры решётки |
a=2,951 с=4,697 (α-Ti) |
|
Отношение c/a |
1,587 |
|
Температура Дебая |
380 K |
|
Плотность, кг / м 3 |
4540 |
|
Температура плавления, Тпл, оС |
1665 |
|
Модуль упругости, E, ГПа |
103,0 |
|
Коэффициент термического расширения, α х 10 6 , 1 / оС |
8,35 |
|
Теплоемкость, с, Дж / г × К |
0,52 |
|
Удельное электросопротивление, нОм × м |
420,0 |
3.Поверхность Ферми и зона Бриллюэна (титан альфа):
Поверхность Ферми — поверхность постоянной энергии в k-пространстве, равной энергии Ферми в металлах или вырожденных полупроводниках. Знание формы поверхности Ферми играет важную роль во всей физике металлов и вырожденных полупроводников, так как благодаря вырожденности электронного газа транспортные свойства его, такие как проводимость, магнетосопротивление зависят только от электронов вблизи поверхности Ферми. Поверхность Ферми разделяет заполненные состояния от пустых при абсолютном нуле температур.
Зона Бриллюэна — отображение ячейки Вигнера-Зейтца в обратном пространстве. В приближении волн Блоха волновая функция для периодического потенциала решётки твёрдого тела полностью описывается её поведением в первой зоне Бриллюэна.
Топология поверхности Ферми титана имеют сложную форму по сравнению , например, с топологией поверхности Ферми меди, которая не намного отличается от проверхности сферы. Это отличие свойств металлов (Ti и Cu) в микроструктуре объясняется различием топологий поверхностей Ферми.
Риc.3 - Поверхности Ферми α-Ti
Риc.4 - Бриллюэна α-Ti
4.Сравнительная таблица свойств α-титана в микро- и наноструктурах , отличие свойств[2]:
|
Ti |
Микроскопическое структур |
Нано-структур (2-10нм) |
|
Температура плавления |
1668 °C |
527 °C--1427°C |
|
Температура кипения |
3260°C |
3287°C |
|
Плотность |
4.54г/см^2 |
4,56г/см^2 |
|
Микротвердость |
180 HV |
285 HV |
|
Предел текучести |
380 МПа |
915 Мпа |
|
Предел прочности |
460 МПа |
1100 Мпа |
|
Внешность |
Серебристо-белый |
Черный |
5. Причины изменение свойств
Сравнение данных, приведенных в таблице: у нано-титана температура плавления значительно уменьшается по сравнению с микроструктурой , кроме того, существенно увеличивается микротвердость, предел текучести и предел прочности, менее чем титан в микроструктура .
Причины изменения свойств – размерные эффекты : для нано-структуры 2 нм основное влияние оказывают квантовые размерные эффекты, для нано-структуры 10 нм –классические размерные эффекты[3].
Рис 5 - зависимость доли объема DV/V , занимаемого поверхностными атомами от радиуса нано-частицы R
DV/V увеличивается при уменьшении радиуса чистицы Ti , поэтому объем занимаемый повехностными атомами и химическая активностьнано-титана увеличивается .
6.Технология получения
Развитие технологий, использующих наноматериалы, сдерживается из-за отсутствия возможности их получения в достаточных количествах. Весьма перспективным в этом отношении является плазмохимический способ. Он дает возможность как синтезировать наноструктурированные материалы с использованием нагрева и сублимации, так и разлагать исходные вещества в плазме высокочастотного индукционного газового разряда.
Есть, правда, и другие способы – электродуговой, лазерный, метод электронного пучка. Но принцип нагрева газа и исходных химических веществ с помощью высокочастотных индукционных плазмотронов (ВЧ-плазмотронов) имеет в сравнении с ними ряд существенных преимуществ. Прежде всего это уникальные параметры плазменных струй, генерируемых в ВЧ-плазмотронах[4].
Рис.6 - Высокочастотный индукционный плазмотрон в работе (а) и схема подачи реагентов (б), где 1 – подача аргона, 2 – термостат, 3 – металлическая емкость; 4 – подача смеси аргона с парами реагента; 5 – газоформирователь; 6 – реакционная камера; 7 – высокочастотный индуктор, 8 – плазменный факел с парами реагентов; 9 – обрабатываемое изделие; 10 – стол-манипулятор
7.Применение титана[5]
Нано-титан широко используется во многах областях( в авиационной технике, ракетостроении, судостроении, химическом машиностроении), но основными областями применения наноструктурного титана являются медицина. Это инструмент, наружные и внутренние протезы, внутрикостные фиксаторы, зажимы и многое другое. При использовании титана в протезировании, наряду с прочностью и коррозионной стойкостью на первый план выходит биосов- местимость. Имплантаты, изготовленные из технически чистого титана и его сплавов, обрастают костной и мышечной тканью, не корродирует в организме, структура окружающей титановый элемент ткани не изменяется на протяжении десятилетий. Высокая удельная прочность и низкий модуль упругости титановых сплавов являются весьма благоприятным сочетанием свойств с точки зрения протезирования.