Сетевое издание
Международный студенческий научный вестник
ISSN 2409-529X

СВОЙСТВА АЛЬФА ТИТАНА В НАНО – И МИКРОСТРУКТУРАХ

Люй Ц.-. 1 Лю Л.-. 1 Сюй Я.-. 1 Чжоу Д.-. 1
1 Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Титан в микро- и наноструктура имеет существенно различно свойств, Nano Titan — это никель-титановый сплав в котором процентное соотношение никеля и титана таково, что материал получился более мягкий, по сравнению с классическим титаном. изучению этих свойств посвещена данная статиья. Приведены: типы решеток; поверхность Ферми; зона Бриллюэна; дана сравнительная таблица свойств α-титана в микро- и наноструктурах, отличие свойств; укозаны причины изменение свойств.нано - титан является важнейшим конструкционным материалом в авиа- и ракетостроении, в кораблестроении. Нано - титан широко используется во многах областях.( в авиационной технике, ракетостроении, судостроении, химическом машиностроении): в медицине для изготовления имплантов, нанотитан может стать востребованным материалом в медицине, прежде всего в стоматологии, травматологии, хирургии. пока разработки в сфере наноматериалов вызывают интерес преимущественно за рубежом, хотя их использование становится все более актуальным для российского здравоохранения. в пищевой промышленности для изготовления регенерируемых фильтров в системах очистки питьевой и минеральной воды, в радиоэлектронике широко распространены неразъемные конструкции, Можно применяться также для плазменного и микроплазменного напыления покрытий, для изготовления деталей часовых механизмов и кислотостойкого оборудования.
тип решетки
параметры
особые свойства
поверхность Ферми
зона Бриллюэна
технология получения
1. Илларионов А. Г., Попов А. А. Технологические и эксплуатационные свойства титановых сплавов: учебное пособие. – 2014. – С. 4
2. Гаврилов Д. И., Карягин М. О., Нуяндин В. Д. ТИТАН: СВОЙСТВА, ПОЛУЧЕНИЕ, ПРИМЕНЕНИЕ //Academy. – 2017. – №. 5. – С. 29-31.
3. Сергеев Г. Б. Размерные эффекты в нанохимии //Российский химический журнал. – 2002. – Т. 46. – №. 5. – С. 22-29.
4. Фильков М. Н., Дунаев А. В. НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЕ ВЫСОКОЧАСТОТНОЕ ПЛАЗМЕННОЕ УПРОЧНЕНИЕ //Агротехника и энергообеспечение. – 2014. – Т. 1. – №. 1. – С. 590-595.
5. Леоха Ф. Л., Ратиев С. Н. Современные способы получения сплавов титана, легированных кислородом //Наукови праци Донецького национального техничного университету. Сер.: Металургия. – 2012. – №. 1-2. – С. 85–94.

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.

https://eduherald.ru/i/2016/6/862/image007.jpg

Риc.3 - Поверхности Ферми α-Ti

-652eaf73e0169677-7996c2b3145d1185

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.


Библиографическая ссылка

Люй Ц.-., Лю Л.-., Сюй Я.-., Чжоу Д.-. СВОЙСТВА АЛЬФА ТИТАНА В НАНО – И МИКРОСТРУКТУРАХ // Международный студенческий научный вестник. – 2018. – № 2. ;
URL: https://eduherald.ru/ru/article/view?id=18156 (дата обращения: 04.12.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074