Ποια είναι τα διάφορα χρώματα του τιτανίου;
"Ο χρωματισμός του τιτανίου προκύπτει από την παρεμβολή του φωτός που ανακλάται μέσω του στρώματος οξειδίου που σχηματίζεται σε αυτό".
Το τιτάνιο είναι το πιο αγαπητό μέταλλο στον κόσμο, μετά τον χρυσό. Χρησιμοποιείται σε μια πληθώρα εφαρμογών που κυμαίνονται από κάτι τόσο κρίσιμο όπως η χειρουργική και το διαστημόπλοιο μέχρι αισθητικούς σκοπούς σε κοσμήματα και μπρελόκ.
Το τιτάνιο βρίσκει χρήση σε μια πληθώρα εφαρμογών (Photo Credit :Sergey Ryzhov/Shutterstock)
Αυτό το ευέλικτο, αλλά απόκρυφο μέταλλο είναι επίσης ένα από τα πιο όμορφα οξειδωτικά μέταλλα, με αποτέλεσμα συναρπαστικά χρώματα και φινιρίσματα που δεν αξίζουν τίποτα. Τι δίνει λοιπόν σε αυτό το κατά τα άλλα γκρι και ανεπιτήδευτο μέταλλο την υπέροχη εμφάνιση του;
Τιτάνιο – το μέταλλο, ο μύθος, ο θρύλος;
Το τιτάνιο είναι γνωστό για τις ανώτερες μηχανικές του ιδιότητες, συμπεριλαμβανομένης της απίστευτης αντοχής, παρά τη χαμηλή του πυκνότητα και την υψηλή αντοχή στη διάβρωση. Αν και δεν θεωρείται πολύτιμο μέταλλο ή μέταλλο σπάνιων γαιών, είναι αρκετά ακριβό, καθώς η διαδικασία εξόρυξης τιτανίου από το μετάλλευμά του απαιτεί μεγάλη ένταση πόρων.
Διαφορετικά, ένα θαμπό γκρι μέταλλο, το τιτάνιο οξειδώνεται υπέροχα (Φωτογραφία:Usacheva Ekaterina/Shutterstock)
Οι μηχανικές ιδιότητές του καθιστούν πολύ δύσκολη την εργασία σε διαδικασίες όπως η κατασκευή και η μηχανική κατεργασία, αυξάνοντας το κόστος του τελικού προϊόντος. Η διαδικασία εξαγωγής τιτανίου δεν έχει αλλάξει πολύ με τα χρόνια, διατηρώντας το εμπόδιο εισόδου στη χρήση αυτού του άφθονου μετάλλου πολύ υψηλό.
Οξείδιο του τιτανίου – Η αιτία του χρώματος
Αν το προηγούμενο του σιδήρου είναι κάτι που πρέπει να συμβεί, τα μέταλλα δεν είναι ακριβώς οι καλοί φίλοι με το οξυγόνο. Ωστόσο, αυτό δεν ισχύει για το τιτάνιο. Το τιτάνιο οξειδώνεται τόσο μέσω θερμότητας όσο και μέσω ηλεκτρικού ρεύματος για να σχηματίσει ένα ουσιαστικά αδιαπέραστο φράγμα. Αυτό το φράγμα παρουσιάζει πολλές εξέχουσες ιδιότητες, όπως μηχανική ακαμψία και οπτική απάτη.
Με την αύξηση της θερμοκρασίας ή της τάσης, το πάχος του στρώματος οξειδίου αυξάνεται. Σε αντίθεση με τη σκουριά, το οξείδιο του τιτανίου μπορεί να είναι επίμονο και απαιτεί μηχανικά μέσα για να αφαιρεθεί, προκειμένου να εκτεθεί το φρέσκο στρώμα τιτανίου από κάτω.
Αντίληψη χρώματος – Παρεμβολή λεπτής μεμβράνης
Το πάχος του διαφανούς στρώματος οξείδωσης επηρεάζει την αντίληψη του χρώματος (Photo Credit :Varvara Nekrasova/Shutterstock)
Κανένας από τους χρωματισμούς που παρατηρούνται στο τιτάνιο λόγω οξείδωσης δεν μπορεί να αποδοθεί σε αλλαγές στη χημική σύνθεση ή στην προσθήκη χρωστικής. Στην πραγματικότητα, είναι ένα κόλπο που παίζει το στρώμα οξειδίου στο ανθρώπινο μάτι.
Το στρώμα οξειδίου είναι λεπτό και διαφανές, αναγκάζοντας το φως να αντανακλάται τόσο από πάνω όσο και από κάτω του. Οι ανακλώμενες ακτίνες φωτός παρεμβαίνουν, με αποτέλεσμα ορισμένα μήκη κύματος φωτός να διακόπτονται, ενώ άλλα τονίζονται για να παράγουν λαμπερά χρώματα. Αυτό το φαινόμενο είναι επίσης γνωστό ως παρεμβολή λεπτού φιλμ.
Η παρεμβολή λεπτής μεμβράνης είναι επίσης ο λόγος που βλέπουμε το φαινόμενο του ουράνιου τόξου σε φυσαλίδες και πετρελαιοκηλίδες (Photo Credit :AjayTvm/Shutterstock)
Με αύξηση της θερμότητας ή της τάσης, το στρώμα οξείδωσης γίνεται παχύτερο και πιο σταθερό. Αυτό επιφέρει μια αλλαγή στον δείκτη διάθλασης και έχει ως αποτέλεσμα τόσο διακριτές όσο και συνεχείς αποχρώσεις. Εκτός εάν αφαιρεθεί μηχανικά, ο χρωματισμός στο τιτάνιο είναι μόνιμος, ακόμη και μετά την αφαίρεση της θερμότητας ή της τάσης.
Οξειδωτικό τιτάνιο – Θερμότητα
Παραδοσιακά, το τιτάνιο οξειδώνεται από τη θερμότητα. Δεδομένου ότι η ροή της θερμότητας μέσα στο μέταλλο δεν μπορεί να ελεγχθεί φυσικά, η θερμική οξείδωση μπορεί να είναι μια αρκετά δύσκολη διαδικασία για την επίτευξη ενός επιθυμητού, οριστικού φινιρίσματος. Εκτός από εξειδικευμένο εξοπλισμό για ομοιόμορφη θέρμανση, απαιτείται μετεπεξεργασία για την αφαίρεση στρωμάτων οξειδίου από ανεπιθύμητες περιοχές.
Διεργασίες όπως η εκλεκτική αμμοβολή και η μηχανική τριβή, όπως το τρίψιμο, χρησιμοποιούνται για τέτοια επεξεργασία.
Το πάχος του στρώματος οξειδίου αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Εξαιτίας αυτού, τα διάφορα χρώματα των οξειδίων του τιτανίου συνδέονται με διαφορετικά εύρη θερμοκρασίας.
Η θερμική επεξεργασία των τεμαχίων κατεργασίας τιτανίου έχει ως αποτέλεσμα γυαλιστερά φινιρίσματα.
Οξειδωτικό τιτάνιο – Τάση
Το στρώμα οξειδίου στο τιτάνιο μπορεί επίσης να επιτευχθεί με την υποβολή του σε ηλεκτρικό ρεύμα όταν βυθίζεται σε ένα αγώγιμο μέσο (ηλεκτρολύτη). Αυτό είναι επίσης γνωστό ως ανοδίωση. Το τεμάχιο εργασίας τιτανίου είναι γαντζωμένο στον θετικό πόλο της μπαταρίας, ενώ ο αρνητικός ακροδέκτης μπορεί να συνδεθεί με οποιοδήποτε άλλο μέταλλο, όπως αλουμίνιο, χαλκό ή ανοξείδωτο χάλυβα.
Η ανοδίωση του τιτανίου παρέχει μεγαλύτερο έλεγχο και, ως εκ τούτου, καλύτερο πεδίο προσαρμογής (Photo Credit :Evannovostro/Shutterstock)
Το πάχος του φιλμ οξειδίου παραμένει σταθερό για μια δεδομένη τάση. Έτσι, διάφορες τάσεις θα αντιστοιχούν σε διαφορετικά χρώματα. Ωστόσο, το πάχος μπορεί να τροποποιηθεί αλλάζοντας τη φύση του ηλεκτρολύτη.
Οι όξινοι και ουδέτεροι ηλεκτρολύτες είναι γνωστό ότι παράγουν λεπτότερα στρώματα οξειδίου που συνήθως έχουν εμβέλεια μόνο μερικών νανόμετρων. Ωστόσο, είναι γνωστό ότι τα ισχυρά αλκαλικά μέσα παράγουν επιστρώσεις πάχους πολλών μικρών.
<πίνακας>Η χρήση ηλεκτρισμού ως μέσου παρασκευής έγχρωμων οξειδίων τιτανίου παρουσιάζει μερικά πλεονεκτήματα σε σχέση με τη χρήση θερμότητας. Η ροή του ηλεκτρικού ρεύματος μπορεί να ελεγχθεί, ενώ η επιλεκτική εμβάπτιση και κάλυψη επιτρέπει να χρωματιστούν μόνο οι επιθυμητές περιοχές του τεμαχίου εργασίας.
Η ανοδίωση του τιτανίου είναι μια πιο εφικτή λύση από την οξείδωσή του με θερμότητα. Αυτό συμβαίνει επειδή η τάση που απαιτείται για την παραγωγή ενός συγκεκριμένου χρώματος είναι ευκολότερο να επιτευχθεί από την παροχή ισοδύναμης και ακριβούς ποσότητας θερμότητας.
Εφαρμογές
Το «έγχρωμο τιτάνιο» βρίσκει διάφορες χρήσεις αισθητικής, ιατρικής, βιομηχανικής και αυτοκινητοβιομηχανίας. Χρησιμοποιείται σε κοσμήματα, ιατρικά εργαλεία και εμφυτεύματα, σωλήνες εξάτμισης σπορ αυτοκινήτων και μονάδες απαγωγής θερμότητας.
Το τιτάνιο δεν είναι το μόνο μέταλλο που παρουσιάζει χρωματισμό. Το νιόβιο, το ταντάλιο και πολλά κράματα χάλυβα, όπως ο άνθρακας και ο ανοξείδωτος χάλυβας, παρουσιάζουν επίσης χρωματισμό σε συνθήκες κινδύνου. Ωστόσο, το τιτάνιο έχει μοναδικά πλεονεκτήματα που το καθιστούν χρήσιμο για οξείδωση. Μερικά από αυτά περιλαμβάνουν τη βιοσυμβατότητα, την υψηλή αντοχή στη διάβρωση και τη μακροπρόθεσμη σταθερότητα του στρώματος οξειδίου.
Το τιτάνιο εξαντλεί όμορφα το χρώμα λόγω των επαναλαμβανόμενων κύκλων θερμότητας. Είναι επίσης πολύ πιο ελαφριές από τις κανονικές εξατμίσεις (Photo Credit :Fed Photography/Shutterstock)
Το τιτάνιο και τα οξείδια του είναι επίσης ελαφριά σε βάρος, δίνοντάς τους σημαντικό πλεονέκτημα απόδοσης έναντι των ανταγωνιστικών κραμάτων, όπως ο ανοξείδωτος χάλυβας. Το μόνο μειονέκτημα στη χρήση τιτανίου και των οξειδίων του είναι ότι είναι εξαιρετικά ακριβό στην προμήθεια τους.
