Titanyum diborür

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.
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 direk olanıdır. Bu yöntem ile toz formda ve yüksek saflıkta TiB2 üretilmiş olur. Reaksiyonun aktivasyon enerjisi 539kJdür.
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.
TiO2 + 1/2B4C + 3/2C -> TiB2 + 2CO (1)
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.
3TiO2 + 3B2O3 + 10Al -> 5Al2O3 + 3TiB2
- Magnezyum ile (magnezyotermik redüksiyon yöntemi)
TiB2 üretiminde redükleyici olarak kullanılabilen bir diğer malzeme magnezyumdur. Aşağıdaki reaksiyon ile gerçekleşmektedir
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, YbB6, 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 1000-1300C arasında, 1 atm basınçta aşağıdaki redüksiyon reaksiyonu ile üretilmektedir.
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.
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, TiB2nin 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.