Titanyum diborür TiB2 mükemmel ısı iletkenliği oksidasyon yükseltgenme kararlılığı ve mekanik erozyona karşı

Titanyum diborür (TiB₂), mükemmel ısı iletkenliği, oksidasyon (yükseltgenme) kararlılığı ve mekanik erozyona karşı direnç içeren çok sert bir seramiktir. TiB₂ ayrıca makul bir elektrik iletkenidir.

Titanyum diborür
Tanımlar

	12045-63-5 2 Şubat 2019 tarihinde Wayback Machine sitesinde .^Y
	100.031.771 2 Şubat 2019 tarihinde Wayback Machine sitesinde .
Özellikler
Kimyasal formül	TiB₂
	69.489 g/mol
Görünüm	Parlak olmayan metalik gri
Yoğunluk	4.52 g/cm³
Erime noktası	3,230 °C (5,850 °F; 3,500 K)
Yapı
Kristal yapı	Hexagonal, Space group P6/mmm. Lattice parameters at room temperature: a=302.36 , C=322.04 pm
Aksi belirtilmediği sürece, standart durumdaki malzemeler için veriler verilir (25 °C [77 °F], 100 kPa).
Y verify ( ^YN ?)

Ti-B sistemine (faz diyagramı) ait ağırlıkça %31,1 bor içeren bir titanyum borürdür. Sistemdeki en kararlı bileşiktir.

Üretim Yöntemleri

Yeryüzünde doğal olarak bulunmaz. Titanyum ve borun katı hal reaksiyonu, oksitlerin redüksiyonu, ergimiş tuz elektrolizi ve PVD yöntemi olmak üzere dört farklı yöntemle üretilmesi mümkündür.

1. Titanyum ve borun katı hal reaksiyonu ile elde

Titanyum ve elementel bor arası reaksiyon ile titanyum diborür üretimi, üretim yöntemleri arasında en direkt olanıdır. Bu yöntem ile toz formda ve yüksek saflıkta TiB₂ üretilmiş olur. Reaksiyonun aktivasyon enerjisi 539kJ’dür.

${\ce {Ti + 2B -> TiB2}}$

Avantajları olduğu gibi dezavantajları da vardır. Ti ve B tozları oksijen ile çok reaktiftirler. Bu yüzden yüzeylerinde oksit tabakaları oluşabilir. Ayrıca güçlü ekzotermik reaksiyonlar sonucu tehlikelere sebep olabilirler. Tüm bu dezavantajlar nedeniyle TiB₂ üretimi için elementel Ti ve B kullanımı yerine oksitleri tercih edilmektedir.

2. Oksitlerin redüksiyonu ile elde

- Karbon (karbotermik redüksiyon yöntemi) ve bor karbür ile

İki farklı kimyasal reaksiyon ile açıklanmaktadır.

${\ce {TiO2 + 1/2B4C + 3/2C -> TiB2 + 2CO}}$ (1)
${\ce {TiO2 + B2O3 + 5C ->TiB2 + 5CO}}$ (2)

Bu iki reaksiyon birbirlerine çok benzemekle birlikte başlangıç malzemeleri ve reaksiyon sonucu oluşan CO miktarı farklılık gösterir. Genellikle ilk sırada bulunan reaksiyon(1) TiB₂ üretiminde daha çok tercih edilen reaksiyondur.

- Alüminyum ile (alüminatermik redüksiyon yöntemi)

Alüminatermik redüksiyon ile üretim, titanyum diborür üretim yöntemlerinin en klasiklerinden biridir. Aşağıdaki reaksiyon ile gerçekleşmektedir.

${\ce {3TiO2 + 3B2O3 + 10Al -> 5Al2O3 + 3TiB2}}$

- Magnezyum ile (magnezyotermik redüksiyon yöntemi)

TiB₂ üretiminde redükleyici olarak kullanılabilen bir diğer malzeme magnezyumdur. Aşağıdaki reaksiyon ile gerçekleşmektedir

${\ce {TiO2 + B2O3 + 5Mg -> TiB2 + 5MgO}}$

Reaksiyon sonucu oluşan magnezyum oksitin HCl ile liç edilerek sistemden uzaklaştırılabilmesi sonucu yüksek saflıkta TiB₂ üretmek mümkündür. Bu sebeple magnezyum, alüminyuma göre tercih edilmektedir.

3. Ergimiş tuz elektrolizi ile elde

TiB₂, ZrB₂, TaB₂, YbB_6, SrB₆ gibi çeşitli borür bileşiklerinin ergimiş tuz elektrolizi ile elektrokimyasal olarak sentezlenmesi mümkündür. TiB₂, NaCl-KCl- 33 TiCl₃-KBF₄, LiF-KF-B₂O₃-TiO₂ ve KCl-KF-K₂TiF₆-KBF₄ gibi elektrolit çözeltileri kullanılarak üretilebilmektedir.

4. PVD yöntemi ile elde

PVD yöntemi, çeşitli refrakter malzemeleri ergime sıcaklıklarının altındaki sıcaklıklarda kaplama olarak kullanmaya izin verir.

Bu teknik ile süreye bağlı olmak üzere kalınlığı bir mikron ila birkaç milimetre arasında değişen kaplamalar yapmak mümkündür. Titanyum diborür 1000-1300 °C arasında, 1 atm basınçta aşağıdaki redüksiyon reaksiyonu ile üretilmektedir.

${\ce {TiCl4 + 2BCl3 + 5H2 -> TiB2 + 10HCl}}$

Bu reaksiyon güçlü bir ekzotermik reaksiyondur. Gerçekleştiği sıcaklıklarda hızla tane büyümesi olduğundan PVD yöntemi ile küçük tane boyutlu TiB₂ üretimi mümkün değildir. Bu sorunun çözümü için alternatif olarak aşağıdaki reaksiyon kullanılmaktadır.

${\ce {10TiCl3(g) + 2BCl3(g) -> TiB2(s) + 9TiCl4(g)}}$

PVD yöntemi ile mikron altı TiB₂ üretimi mümkündür.

Kullanım Alanları

TiB₂ üstün mekanik özellikleri, kimyasal kararlılığı ve yüksek ergime noktası ile çok değerli bir mühendislik malzemesidir. Bu yüzden çok geniş uygulama alanlarında kullanılmaktadır.

Korozyon ve aşınmaya karşı dayanıklı yerlerde, askeri zırh malzemesi olarak, refrakter malzemesi olarak, yüksek sıcaklığa maruz kalan kısımlarda kaplama veya parça olarak (örneğin; motor parçalarında, roket motor parçalarında, metal ergitme nozülleri ve jet motoru parçalarında), yüksek sıcaklıklarda elektrik kontak malzemesi olarak, alüminyum fırınlarda elektrot olarak, kompozit malzeme üretiminde (Al, Cr, Cu vb), silisyum karbür (SiC) kompozitlerinin mukavemetlerinin arttırılmasında, TiB₂’nin ergimiş alüminyum ve kriyolite karşı inert olmasının yanı sıra yüksek elektrik iletkenliğine sahip olmasından dolayı alüminyum metalurjisinde katot olarak, elektrot ve termoçift kılıfı olarak, alüminyumun vakum altında buharlaştırılmasında kullanılan sıcak preslenmiş TiB₂-BN-AlN kompozitinden yapılan kayıkçıkların hammaddesi olarak kullanılır.

Kaynakça

^ J. Schmidt ve diğ. "Titanyum diborid TiB2'nin yavaş ısıtma hızında kıvılcım plazma sinterlenmesi ile hazırlanması" Sci. Technol. Gelişmiş. Mater. 8 (2007) 376 ücretsiz indir 26 Aralık 2021 tarihinde Wayback Machine sitesinde .
^ ^a ^b . 29 Ekim 2020 tarihinde kaynağından arşivlendi.
^ . 2009. 6 Mayıs 2021 tarihinde kaynağından arşivlendi.
^ Kinetics of Combustion Synthesis of TiB2 Materials Science and Engineering, 71. Holt J. B., Kingman D. D., Bianchini G. M. 1985. ss. 321-327.
^ Hausner H. H., 1960. Modern Materials Vol.2, Academic Press, New York
^ TiB2 Powder Production for Engineered Ceramics, Ceramic Engineering and Science Proceeding, 6. Kim J. J., McMurtry C. H. 1985. s. 1313.
^ Modern Materials Vol.2. Hausner H. H, Academic Press. 1960.
^ Logan K.V., 1989. Process for Making Highly Reactive Sub-micron Amorphous Titanium Diboride Powder and Products Made Therefrom, U. S. Patent No: 5160716.
^ Logan K.V., 1994. Material Made From Highly Reactive Sub-Micron Amorphous Titanium Diboride Powder and Products Made Therefrom, U. S. Patent No: 5275781.
^ Electrodeposition of Titanium Diboride Coatings, Journal of Electrochemical Society, 116,. Schlain D., McCawley F., Wyche C. 1969. ss. 1227-1228.
^ Electrochemical Synthesis of Refractory Borides from Molten Salts, Plasma and Ions, 2,. Kaptay G., Kuznetsov S. A. 1999. ss. 45-56.
^ The Vapor – Phase Deposition of Refractory Materials, Journal of Electrochemical Society, 96,. Campbell I. E., Powell C. F., Nowicki D. H., Gonser B. W. 1949. ss. 318-333.
^ The Vapor – Phase Deposition of Refractory Materials, Journal of Electrochemical Society, 96,. Campbell I. E., Powell C. F., Nowicki D. H., Gonser B. W. 1949. ss. s318-333.
^ Synthesis of Submicron Titanium Diboride Powders, High Temperature Science, 19,. Brynestad J., Bamberger C. E., Heatherly D. E., Land J. F. 1985. s. 41.

[tib1-1] J. Schmidt ve diğ. "Titanyum diborid TiB2'nin yavaş ısıtma hızında kıvılcım plazma sinterlenmesi ile hazırlanması" Sci. Technol. Gelişmiş. Mater. 8 (2007) 376 ücretsiz indir 26 Aralık 2021 tarihinde Wayback Machine sitesinde .

[malzemebilimi.net-2] . 29 Ekim 2020 tarihinde kaynağından arşivlendi.

[3] . 2009. 6 Mayıs 2021 tarihinde kaynağından arşivlendi.

[4] Kinetics of Combustion Synthesis of TiB2 Materials Science and Engineering, 71. Holt J. B., Kingman D. D., Bianchini G. M. 1985. ss. 321-327.

[5] Hausner H. H., 1960. Modern Materials Vol.2, Academic Press, New York

[6] TiB2 Powder Production for Engineered Ceramics, Ceramic Engineering and Science Proceeding, 6. Kim J. J., McMurtry C. H. 1985. s. 1313.

[7] Modern Materials Vol.2. Hausner H. H, Academic Press. 1960.

[8] Logan K.V., 1989. Process for Making Highly Reactive Sub-micron Amorphous Titanium Diboride Powder and Products Made Therefrom, U. S. Patent No: 5160716.

[9] Logan K.V., 1994. Material Made From Highly Reactive Sub-Micron Amorphous Titanium Diboride Powder and Products Made Therefrom, U. S. Patent No: 5275781.

[10] Electrodeposition of Titanium Diboride Coatings, Journal of Electrochemical Society, 116,. Schlain D., McCawley F., Wyche C. 1969. ss. 1227-1228.

[11] Electrochemical Synthesis of Refractory Borides from Molten Salts, Plasma and Ions, 2,. Kaptay G., Kuznetsov S. A. 1999. ss. 45-56.

[12] The Vapor – Phase Deposition of Refractory Materials, Journal of Electrochemical Society, 96,. Campbell I. E., Powell C. F., Nowicki D. H., Gonser B. W. 1949. ss. 318-333.

[13] The Vapor – Phase Deposition of Refractory Materials, Journal of Electrochemical Society, 96,. Campbell I. E., Powell C. F., Nowicki D. H., Gonser B. W. 1949. ss. s318-333.

[14] Synthesis of Submicron Titanium Diboride Powders, High Temperature Science, 19,. Brynestad J., Bamberger C. E., Heatherly D. E., Land J. F. 1985. s. 41.