تیتانیوم فلزی عالی برای جایگزینی قطعات بدن انسان است
به گزارش وبلاگ جیرا، در این مقاله به خواص بسیار عالی و موارد استفاده روزافزون فلز تیتانیوم به خصوص در صنایع تازه پزشکی و هوا فضا اشاره می گردد.
تیتانیوم، فلزی است که با استحکام و سبک بودنش شناخته می گردد، از این رو برای ساخت مفصل ران، زانوها و سایر قسمتهای بدن ما ایده آل است، اما بعلاوه در صنایع دیگر نیز مورد استفاده قرار می گیرد.
تیتانیوم نام خود را از تایتان های اساطیر یونان باستان گرفته است اما این ماده کاملاً مدرن به خوبی برای استفاده در طیف بسیار وسیعی از کاربردهای تکنولوژی بسیار پیشرفته مناسب است.
تیتانیوم با نماد شیمیایی Ti و عدد اتمی 22 آن، فلزی به رنگ نقره ای است که به علت چگالی کم، استحکام بالا و مقاومت در برابر خوردگی بسیار ارزش دارد.
من برای اولین بار تیتانیوم را در مقطع کارشناسی ارشد در انستیتوی تحقیقات فلز در آموزشگاه علوم چین در سال 1999 مطالعه کردم. یکی از پروژه های من آنالیز شکل گیری آلیاژهای تیتانیوم برای ویژگی های مقاومت بالای آن ها بود.
از آن موقع، کاربردهای این فلز از زمان استفاده از آن (به صورت دی اکسید تیتانیوم) در رنگ ها، کاغذ، خمیر دندان، ضد آفتاب و لوازم آرایشی به صورت نمایی رشد نموده است تا از این طریق به عنوان آلیاژی در ایمپلنت های زیست پزشکی و نوآوری های هوا فضا استفاده گردد.
خصوصاً جالب توجه، ازدواج کاملی بین تیتانیوم و چاپ سه بعدی است.
طراحی سفارشی از چاپ سه بعدی
مواد تیتانیوم گران قیمت هستند و به این خاطر می توانند در خصوص فن آوری های سنتی پردازش مشکل ساز باشند. برای مثال، نقطه ذوب بالای آن (1670 درجه، بسیار بالاتر از آلیاژهای فولادی) یک چالش است.از این رو دقت نسبتاً کم هزینه چاپ سه بعدی یک تغییر دهنده بازی برای تیتانیوم است. چاپ سه بعدی جایی است که یک شیء به صورت لایه به لایه ساخته می گردد و طراحان می توانند با آن اشکال شگفت انگیزی ایجاد نمایند.
این امر به فراوری اشکال پیچیده مانند قطعات جایگزین استخوان فک، پاشنه پا، لگن، کاشت دندان یا صفحات کرانیوپلاستی در جراحی اجازه می دهد. بعلاوه می توان از آن برای ساخت باشگاه گلف و اجزای هواپیما استفاده کرد.
CSIRO با صنعت همکاری می نماید تا فناوری های تازهی را در چاپ سه بعدی با استفاده از تیتانیوم توسعه دهد. (حتی اژدهایی از تیتانیوم درست نموده است.)
پیشرفت در چاپ سه بعدی راه های تازهی را برای پیشرفت بیشتر عملکرد ایمپلنت های سفارشی اجزای بدن ساخته شده از تیتانیوم باز می نماید.
چنین ایمپلنت هایی به گونه ای متخلخل طراحی شده اند که این باعث سبک تر شدن آنها می گردد اما اجازه عبور خون، مواد مغذی و اعصاب را می دهند و حتی می توانند رشد استخوان ها را تقویت نمایند.
ایمن در بدن
تیتانیوم به علت مقاومت در برابر خوردگی ناشی از مایعات بدن، بیولوژیکترین فلز است و مضر و سمی برای بافت زنده محسوب نمی گردد. این توانایی تحمل در برابر محیط بد بدن، نتیجه ای از لایه اکسید محافظ است که به صورت طبیعی در حضور اکسیژن بر روی تیتانیوم شکل می گیرد.توانایی پیوند فیزیکی آن با استخوان نیز رجحان تیتانیوم است در مقایسه با سایر مواد، که برای چسباندن آنها احتیاج به استفاده از چسب است. دو منطقه اصلی در هواپیماها که تیتانیوم در آنها استفاده می گردد در موتورهای فرود و جت آنهاست. کاشت های تیتانیوم دوام بیشتری دارند و نیروهای بسیار بیشتری برای شکستن پیوندهایی که به بدن برقرار می نماید در مقایسه با گزینه های دیگر کاشت ضروری است.
آلیاژهای تیتانیوم که معمولاً در ایمپلنت های باربر مورد استفاده قرار می گیرند، نسبت به آلیاژهای فولاد ضدزنگ یا کبالت، کمتر سفت هستند و در عملکرد و اجرا به استخوان انسان مشابهت بیشتری دارند.
برنامه های هوا فضا
وزن حجمی تیتانیوم تقریباً نصف وزن حجمی فولاد است اما 30٪ مستحکم تر از آن است، این باعث می گردد از آن به طور ایده آل در صنعت هوا فضا که در آن هر گرم اضافه وزن مهم است استفاده گردد.در اواخر دهه 1940، دولت آمریکا به فراوری تیتانیوم یاری کرد، زیرا پتانسیل آن در فراوری هواپیما، موشک، فضاپیما و دیگر اهداف نظامی قابل مشاهده بود.
تیتانیوم به طور فزاینده ای تبدیل به ماده ای مالی برای طراحان هواپیما در کوشش برای توسعه هواپیماهای سریعتر، سبکتر و کارآمدتر شده است.
حدود 39٪ از هواپیماهای F22 Raptor نیروی هوایی ایالات متحده، یکی از پیشرفته ترین جنگنده های دنیا، از تیتانیوم ساخته شده است.
تصویر: یک قطعه چاپ سه بعدی شده تیتانیومی (پایین) در کنار قطعه آلومینیومی (بالا) که در F-22 Raptor جایگزین آن می گردد: قطعه تیتانیومی دچار خوردگی نمی گردد، می تواند سریعتر تهیه گردد و هزینه کمتری نیز دارد. عکس نیروی هوایی ایالات متحده به وسیله R. Nial Bradshaw
حمل و نقل هوایی غیرنظامی با 787 Dreamliner تازه بوئینگ ساخته شده از 15 درصد تیتانیوم، که به طور قابل توجهی بیشتر از مدلهای قبلی است، در همان جهت حرکت کرد.
دو منطقه اصلی در هواپیماها که تیتانیوم در آنها استفاده می گردد در موتورهای فرود و جت آنهاست. دنده های فرود باید هر وقت هواپیما به باند فرودگاه برخورد می نماید، در برابر مقادیر بزرگ نیرویی که بر روی آنها اعمال می گردد، مقاومت نمایند.
چقرمگی تیتانیوم بدین معنی است که می تواند مقادیر بزرگی از انرژی را که هنگام فرود هواپیما از آن خارج می گردد، جذب کند بدون اینکه اصلاً ضعیف گردد.
مقاومت در برابر حرارت تیتانیوم به معنای آن است که می تواند در موتورهای جت مدرن مورد استفاده قرار گیرد، جایی که دما می تواند به 800 درجه سانتیگراد برسد. فولاد در دمای حدود 400 درجه سانتیگراد آغاز به نرم شدن می نماید اما تیتانیوم بدون از دست دادن قدرت می تواند در برابر گرمای شدید موتور جت مقاومت کند.
کجا تیتانیوم را پیدا کنیم
در حالت طبیعی، تیتانیوم همواره با عناصر دیگر، معمولاً درون سنگهای آذرین و رسوبات حاصل از آنها، پیوند یافته است.متداول ترین مواد معدنی حاوی تیتانیوم عبارتند از ایلمنیت (یک اکسید آهن-تیتانیوم ، FeTiO3 ) و روتیل (یک اکسید تیتانیوم TiO2)
ایلمنیت در چین فراوان است، در حالی که استرالیا بالاترین نسبت دنیای روتیل را دارد، حدود 40٪ طبق گفته Geoscience استرالیا. بیشتر در سواحل شرقی، غربی و جنوبی استرالیا یافت می گردد.
هر دو ماده به طور کلی از ماسه ها استخراج می شوند، پس از آن تیتانیوم از سایر مواد معدنی جدا می گردد.
استرالیا یکی از فراوری نمایندگان برتر تیتانیوم در دنیا است که بیش از 1.5 میلیون تن در سال 2014 فراوری داشت. آفریقای جنوبی و چین دو فراورینماینده بعدی تیتانیوم هستند که به ترتیب 1.16 و 1 میلیون تن فراوری می نمایند.
تیتانیوم جزو ده عنصر فراوان در پوسته زمین است، و منابع آن در حال حاضر مورد تهدید نیست - و این خبر خوبی است برای بسیاری از دانشمندان و مبتکران که به طور مداوم در پی راه های تازه برای بهبود زندگی با تیتانیوم هستند.
منبع: لایچانگ ژانگ - Edith Cowan University
منبع: راسخون