Technické vlastnosti titanu mezi různými jakostmi: 
Pro zobrazení tohoto dokumentu musíte mít nejnovější verzi programu Acrobat Reader.
Základní fyzikální vlastnosti
Pozoruhodné fyzikální vlastnosti titanu:
- Jeho hustota je přibližně 60 % hustoty oceli.
- Jeho odolnost vůči korozi je výjimečná v mnoha prostředích, jako je mořská voda nebo lidské tělo.
- Jeho mechanické vlastnosti zůstávají vysoké až do teploty přibližně 600 °C a vynikající až do kryogenních teplot.
- Jeho přeměna na polotovary a díly různých tvarů běžnými technikami (vrtání, ražení, spřádání, odlévání, svařování, obrábění atd.) je poměrně snadná.
- Je k dispozici v široké škále forem a typů produktů: ingoty, sochory, tyče , dráty, trubky , desky, plechy , pásy .
- Je nemagnetizovatelný.
- Jeho koeficient tepelné roztažnosti, o něco nižší než u oceli, je poloviční oproti hliníku. Jako standard bude brán průměrný koeficient tepelné roztažnosti 10,5 × 10⁻⁶ K⁻¹. Jeho Youngův modul je velmi blízký modulu kostních struktur.
Krystalografické vlastnosti
Čistý titan prochází v blízkosti teploty 882 °C alotropickou transformací martenzitického typu.
Pod touto teplotou je struktura hexagonální pseudo-těsně uspořádaná (a=0,295 nm; c = 0,468 nm: c/a = 1,633) a nazývá se Ti α (prostorová skupina 194 / P63/mmc).
Nad touto teplotou je struktura tělesocentrovaná kubická (a = 0,332 nm) a nazývá se Ti β.
Teplota přechodu α→β se nazývá β transus.
Přesná transformační teplota je do značné míry ovlivněna substitučními a intersticiálními prvky. Silně proto závisí na čistotě kovu. Krystalografická struktura α a β elementárních buněk titanu.
Izotopy
Titan se v přírodě vyskytuje ve formě pěti izotopů: 46Ti, 47Ti, 48Ti, 49Ti a 50Ti. 48Ti je nejhojnějším izotopem s přirozenou koncentrací 73,8 %. Bylo pozorováno jedenáct radioizotopů; nejstabilnější, 44Ti, má poločas rozpadu 63 let.
Fotokatalytická aktivita TiO2 je silně ovlivněna jeho krystalinitou a velikostí částic (Pecchi et al., 2001).
Modifikace anatasem je dostatečně aktivní při fotokatalýze pouze s energií v pásmovém prostoru Ebg 3,2 eV.
Hombikat UV-100 TiO2 se skládá z čistého modifikovaného anatasu a jeho částice mají povrch PARI přibližně 186 m²/g (při použití Brunauer-Emmett-Tellerovy teorie adsorpce plynu pro stanovení adsorpční izotermy).
Většina studií však byla provedena s použitím Degussa P-25 TiO2. Tento materiál se skládá z přibližně 80 % anatasu a 20 % rutilu a má specifický povrch BET přibližně 55 m²/g.
Průměr jeho částic se obvykle pohybuje mezi 25 nm a 35 nm.
Oxidy
Oxid titaničitý (TiO₂) Oxid titaničitý (Ti₂O₃) Oxid titaničitý (TiO₂) Oxid titaničitý (TiO₃)
Mechanické vlastnosti
Eroze
Vysoce přilnavá a tvrdá oxidová vrstva vysvětluje dlouhou životnost titanových součástí vystavených nárazům částic suspendovaných v kapalinách. Tento efekt je zesílen schopností vrstvy regenerovat se. Eroze v mořské vodě se zvyšuje při vyšších průtocích nebo menších velikostech částic.
Pevnost a tažnost
Titan je považován za kov s vysokou mechanickou pevností a dobrou tažností za standardních teplotních podmínek. Jeho specifická pevnost (poměr pevnosti v tahu k hustotě) převyšuje hliník a ocel.
Jeho pevnost je nepřímo úměrná teplotě, s plató mezi -25 °C a 400 °C.
Pod -50 °C, v kryogenních teplotních rozmezích, je nárůst pevnosti dramatický; je však doprovázen velmi nízkou tažností.
Nad 400 °C začíná mechanická pevnost klesat.
Bez jakéhokoli teoretického základu je únavová odolnost asi 70 % pevnosti v tahu.
Opotřebení
Dosud nebylo vyvinuto žádné uspokojivé řešení. Hlavními zkoušenými metodami byly oxidace, nitridace, boridace a cementace. Při implementaci a adhezi se vyskytly četné technologické obtíže. Povrchové úpravy titanu, které mění povahu nebo strukturu povrchu, by se navíc měly používat pouze s maximální opatrností a po důkladném studiu jejich účinků; obecně mají více či méně výrazný negativní vliv na pevnost a odolnost proti únavě.
Biokompatibilita
Titan je jedním z nejvíce biokompatibilních kovů, spolu se zlatem a platinou, což znamená, že je zcela odolný vůči tělním tekutinám. Kromě toho má vysokou mechanickou pevnost a velmi nízký modul pružnosti, díky čemuž je kompatibilní s kostními strukturami. Mezinárodní agentura pro výzkum rakoviny (IARC) zařadila oxid titaničitý do skupiny 2B, „potenciálně karcinogenní pro člověka“: provedené studie dosud nedošly k definitivnímu závěru.
Požární odolnost
Jeho odolnost vůči ohni, zejména uhlovodíkům, je vynikající. Bylo prokázáno, že trubka o tloušťce 2 mm odolá tlaku deseti atmosfér při vystavení uhlovodíkovému ohni o teplotě 600 °C bez poškození, deformace nebo výbuchu. To je dáno především odolností oxidové vrstvy, která brání pronikání vodíku do materiálu. Nízká tepelná vodivost titanu navíc poskytuje dlouhodobější ochranu vnitřních součástí před zvyšováním teploty.
Chemické vlastnosti
Klasická koroze titanu
Titan je extrémně oxidovatelný kov. V řadě standardních elektrochemických potenciálů se nachází v blízkosti hliníku, mezi hořčíkem a zinkem. Není to tedy ušlechtilý kov; jeho termodynamický rozsah stability ve skutečnosti nesdílí žádnou část s termodynamickým rozsahem stability vody a nachází se hluboko pod ním. Jedním z důvodů odolnosti titanu proti korozi je vývoj ochranné pasivační vrstvy o tloušťce několika zlomků mikrometru, složené převážně z oxidu TiO2, ačkoli je známo, že může obsahovat i jiné formy titanu. Tato vrstva je neporušená a velmi přilnavá. Pokud je povrch poškrában, oxid se v přítomnosti vzduchu nebo vody spontánně znovu formuje. Titan je tedy prakticky neovlivněn vzduchem, vodou ani mořskou vodou.
Tato vrstva je navíc stabilní v širokém rozmezí pH, potenciálu a teploty. Vysoce redukční podmínky, silně oxidační prostředí nebo přítomnost iontů fluoru (komplexotvorné činidlo) snižují ochrannou povahu této oxidové vrstvy; leptací činidla používaná k zaznamenávání mikrofotografií jsou nejčastěji na bázi kyseliny fluorovodíkové. Během reakce s touto kyselinou vznikají kationty titaničité(II) a(III). Reaktivitu kyselých roztoků lze nicméně snížit přidáním oxidačních činidel a/nebo iontů těžkých kovů. Kyselina chromová nebo dusičná a soli železa, niklu, mědi nebo chromu jsou vynikajícími inhibitory.
To vysvětluje, proč lze titan používat v průmyslových procesech a prostředích, kde by konvenční materiály korodovaly. Elektrochemické rovnováhy lze samozřejmě modifikovat přidáním legujících prvků, které snižují anodickou aktivitu titanu; to vede ke zlepšení odolnosti proti korozi.
V závislosti na požadovaných modifikacích se přidávají specifické prvky. Níže je uveden neúplný seznam některých běžných přísad: posun korozního potenciálu a zlepšení vlastností katody: přidání platiny, palladia nebo rhodia; zvýšení termodynamické stability a snížení sklonu k anodickému rozpouštění: přidání niklu, molybdenu nebo wolframu; zvýšení sklonu k pasivaci: přidání zirkonia, tantalu, chromu nebo molybdenu. Tyto tři metody lze kombinovat.
Specifická koroze titanu
Titan je velmi odolný vůči specifickým typům koroze, jako je bodová koroze nebo štěrbinová koroze. Tyto jevy jsou pozorovány pouze při použití v prostředích blízkých praktickým limitům obecné korozní odolnosti. K praskání v důsledku koroze v důsledku napětí dochází za následujících podmínek: ve studené mořské vodě (pouze za přítomnosti ostrých řezů); v určitých specifických médiích, jako je bezvodý methanol; a v horkém prostředí za přítomnosti roztaveného NaCl. Tyto dvě alotropní struktury se liší v odolnosti vůči tomuto poslednímu typu koroze; α-titan je vysoce náchylný, zatímco β-titan prakticky neovlivněn není.
Krollův proces a výroba vysoce čistého titanu
Krollův proces
První krok zahrnuje karbochloraci oxidu titaničitého. Produkt se získává reakcí plynného chloru s oxidem při teplotě přibližně 800 °C ve fluidním loži podle reakce: TiO2(s) + 2C(s) + 2Cl2(g) → TiCl4(g) + 2CO(g). Chlorid titaničitý, který má bod varu 136 °C, se získává kondenzací, dekantuje, filtruje a čistí frakční destilací. Následný redukční proces zahrnuje reakci tohoto tetrachloridu v plynné fázi s kapalným hořčíkem podle reakce: TiCl4(g) + 2 Mg(l) → 2MgCl2(l) + Ti(s). Reakce se provádí ve vakuu nebo inertním plynu (argon). Chlorid hořečnatý se odděluje dekantací a poté ve druhém kroku vakuovou destilací při teplotě přibližně 900–950 °C nebo promytím kyselinou. Výsledný titan je porézní pevná látka připomínající houbu, odtud jeho název titanová houba. Od svého prvního průmyslového využití v roce 1945 neprošel Krollův proces žádnými významnými změnami ve svém fyzikálně-chemickém principu, s výjimkou výtěžku reakce.
Výroba vysoce čistého titanu
Jakmile se získá houba, rozemele se na titanové hobliny. Tato směs se poté homogenizuje v míchačce, buď pod inertním plynem, nebo vysokotlakým sáním, aby se zabránilo vznícení jemných titanových částic (částic o velikosti asi sto mikrometrů), které by mohlo vést k tvorbě oxynitridu titanu, křehké sloučeniny nerozpustné v kapalné lázni. Homogenizovaná směs se poté vloží do matrice lisu, kde se za studena stlačí do hustého válce nazývaného výlisek. Relativní hustota výlisku umožňuje manipulaci s elektrodou stohováním těchto výlisků vrstvu po vrstvě a jejich svařováním pomocí plazmy nebo elektronového paprsku. Tím se vytvoří primární elektroda. Následně se titanové elektrody svaří vakuovým obloukovým přetavováním (VAR). Tento proces zahrnuje vytvoření nízkonapěťového a vysokoproudého elektrického oblouku (30 až 40 V; 20 000 až 40 000 A) mezi dnem titanové elektrody a vodou chlazeným měděným kelímkem. Spodní část elektrody se zahřeje a její teplota stoupne nad likvidus; Roztavený kov poté padá do kapalinové jímky obsažené v kovovém plášti známém jako povrch ingotu. Tímto způsobem se ingot několikrát přetavuje v závislosti na požadované čistotě. S každým přetavením se průměr ingotů zvětšuje; ty obvykle váží 1 až 10 tun a mají průměr 0,5 až 1 metr.
Sloučeniny
Přestože je kovový titan vzhledem ke své ceně poměrně vzácný, oxid titaničitý je levný a široce používaný jako bílý pigment v barvách a plastech. Prášek TiO2 je chemicky inertní, odolný vůči slunečnímu záření a vysoce neprůhledný. Čistý oxid titaničitý má velmi vysoký index lomu a větší optickou disperzi než diamant.
Bezpečnostní opatření, toxikologie
Ve své rozštěpené kovové formě je titan vysoce hořlavý, ale soli titanu jsou obecně považovány za bezpečné. Chlorované sloučeniny, jako je TiCl4 a TiCl3, jsou korozivní. Titan se může hromadit v živých tkáních obsahujících křemík, ale nemá žádnou známou biologickou roli.
Závěr
Titan se pyšní extrémně rozmanitou škálou vlastností. Nejenže je odolný vůči korozi, často v kombinaci s odolností vůči erozi a ohni a biokompatibilitou, ale má také vynikající mechanické vlastnosti (pevnost, tažnost, odolnost proti únavě atd.), které umožňují navrhování tenčích a lehčích součástí. Tato atraktivní škála vlastností vysvětluje jeho rostoucí uplatnění v leteckém, kosmickém, chemickém a lékařském průmyslu. Díky zvýšené efektivitě výroby se titan stále více používá v každodenních aplikacích, jako je například sportovní zboží a automobilový průmysl.