ورق تیتانیوم دارای کاربردهای غیر قابل جایگزینی در زمینه های هوافضا و پزشکی است به دلیل قدرت بالا، وزن کم، مقاومت در برابر خوردگی و سازگاری بیولوژیکی عالی.در زیر شرح سناریوهای کاربردی خاص است.، الزامات فنی و موارد معمول در دو زمینه اصلی:
一زمینه هوافضا: مواد کلیدی در محیط های شدید
ورق تیتانیومبه طور عمده در زمینه هوافضا برای کاهش وزن ساختاری، اجزای مقاوم در برابر دمای بالا / خوردگی، محافظت از تجهیزات الکترونیکی و سناریوهای دیگر استفاده می شود.و باید با خواص مکانیکی و قابلیت تطبیق با محیط زیست مطابقت داشته باشد..
1اجزای ساختاری و حفاظت حرارتی
سناریوهای کاربرد:
استفاده از قطعات ساختاری سبک مانند پوست هواپیما، قاب بال و پارتیشن های محورورق تیتانیومنسبت قدرت بالا به وزن برای کاهش وزن کل ماشین (مانند تیتانیوم تیتر Boeing 787 15٪ را تشکیل می دهد).
نوزل موتور موشک، لایه های حفاظت حرارتی فضاپیما،برای مقاومت در برابر دمای بالا (>600°C) و پاک کردن گاز با فشار بالا (مانند ورق آلیاژ تیتانیوم برای لایه عایق موتور موشک Falcon SpaceX).
الزامات فنی:
مقاومت کششی ≥800MPa، طول کششی ≥10٪ و باید از آزمون خستگی (نمونه سازی ده ها هزار چرخه پرواز و فرود) عبور کند.
مقاومت در برابر اکسیداسیون در دمای بالا: کار طولانی مدت در 500 درجه سانتیگراد، ضخامت لایه اکسید سطح <5μm.
2تجهیزات الکترونیک و محافظ الکترومغناطیسی
سناریوهای کاربرد:
Electromagnetic shielding covers of satellite communication equipment and radar systems use the conductivity of titanium foil (electrical conductivity is about 18% of copper) to block external interference.
زیربنای تبعید گرما تجهیزات هواپیمایی ترکیبی ازورق تیتانیومبا مواد کامپوزیت سرامیکی/فلزی برای دستیابی به رسانایی حرارتی بالا (رانش گرمی ≈15W/m・K) و سازگاری عایق بندی.
الزامات فنی:
تحمل ضخامت ورق ± 2٪ (مانند تحمل ورق تیتانیوم 0.1mm ≤ ± 0.002mm) ، خشکی سطح Ra≤ 0.8μm برای اطمینان از ماشینکاری دقیق.
3. محوطه ی شدید مهر و بستن و اتصال
سناریوهای کاربرد:
بسته بندی سیستم های سوخت موتور هواپیمایی، مقاوم به خوردگی و لرزش کروزین هواپیمایی؛ بسته بندی نوار های فولیک دریچه های خلاء فضاپیما برای جلوگیری از نشت گاز.
شاشه های ضد گشایش در مفاصل پیچ خورده از اثر حافظه استفاده می کنندورق تیتانیوم(حفاظت از بارگذاری پیش از تغییر پلاستیکی کمی)
نمونه ای از این قضیه:
مهر و موم فولیک آلیاژ تیتانیوم ایرباس A350 XWB میزان نشت سیستم سوخت را بیش از 90٪ کاهش می دهد.
二زمینه پزشکی: معیارهای دوگانه ایمنی و عملکرد
در زمینه پزشکی، ورق تیتانیوم بر روی دستگاه های کاشت قابل، ابزار جراحی دقیق و تجهیزات in vitro تمرکز دارد. الزامات اصلی سازگاری زیستی (غیر سمی، غیر حساس سازی) ،مقاومت در برابر خوردگی مایعات بدن، و دقت پردازش.
1دستگاه های پزشکی قابل کاشت
سناریوهای کاربرد:
ایمپلنت های ارتوپدیک: مانند شبکه تیتانیوم برای تعمیر جمجمه و دستگاه های همجوشی ستون فقرات (فایل تیتانیوم در یک ساختار متخلخل برای ترویج رشد سلول های استخوانی است).با استفاده از استئوکاندکتیویتی تیتانیوم (قوه پیوند با استخوان های انسان بیش از 30MPa است).
استنت قلب: ورق تیتانیوم بسیار نازک (ضخامت 0.05 - 0.1 میلی متر) با لیزر به یک ساختار شبکه ای برش داده می شود تا رگ های خونی را پشتیبانی کند و انعطاف پذیری را حفظ کند (نیرو پشتیبانی شعاعی ≥5N / mm).
استانداردهای فنی:
باید مطابق با ISO 5832-2 (تیتانیوم و آلیاژ های تیتانیوم برای ایمپلنت های جراحی) ، پاکی ≥ 99.5٪، محتوای ناخالصی (مانند Fe، C، N) ≤ 0.3٪ باشد.
سطح باید الکتروپولیس شود (سطح Ra ≤ 0.2μm) و برای افزایش چسبندگی سلول با پلاسمای درمان شود.
2ابزار جراحی دقیق
سناریوهای کاربرد:
تیغه های میکرو جراحی (ضخامت ≤ 0.02 میلی متر) ، گرفتگی های بیوپسی اندوسکوپی، با استفاده از سختی بالا (HV ≥ 200) و مقاومت در برابر خستگی از ورق تیتانیوم (باز کردن و بستن مکرر 100،000 بار بدون تغییر شکل).
قطعات اتصال پایه ایمپلنت دندان، ورق تیتانیوم در رشته های سطح میکرو، با دقت تطبیق ± 5μm است.
مشکلات پردازش:
تکنولوژی میکرو استامپ (دقیقیت قالب ± 1μm) و ماشینکاری الکترو اسپارک مورد نیاز است تا از کاهش عملکرد ناشی از گرم شدن بیش از حد مواد جلوگیری شود.
3تجهیزات پزشکی in vitro
سناریوهای کاربرد:
ورق الکترود گلوکوز خون قابل حمل، پوشش پلاتین/ایریدیوم بر روی سطح ورق تیتانیوم،بهبود ثبات الکتروشیمیایی (شکستگی جریان < ۵٪ پس از ۵۰۰ چرخه آزمایش ولتامتری چرخه ای).
پوسته آلیاژ تیتانیوم دیالیزر می تواند در برابر ضد عفونی کردن با محلول هایپوکلریت سدیم (سرعت خوردگی <0.001mm/سال در غلظت 2000ppm) مقاومت کند.
نمونه ای از این قضیه:
دریچه قلب CoreValve از Medtronic استفاده می کند.ورق تیتانیومبرای ساخت قاب استنت، و میزان نفوذ بیش از 95 درصد 10 سال پس از جراحی است.
三چالش های اصلی تکنولوژی و روند توسعه
1حوزه هوافضا
چالش ها:
یکنواخت رولینگ ورق تیتانیوم بسیار نازک (<0.05mm): فرآیند روانکاری سطح نانو (مانند روانکاری مایع یون) باید برای کاهش نوسانات ضخامت توسعه یابد.
پوشش ضد اکسیداسیون در محیط با دمای بالا: تحقیق در مورد پوشش کامپوزیت نیتریت تیتانیوم (TiN) / اکسید آلومینیوم (Al2O3) برای افزایش محدودیت مقاومت دمایی به بیش از 800 °C.
روند:
چاپ سه بعدی از ساختارهای لایه بندی شده از ورق تیتانیوم (مانند تکنولوژی ذوب کرن الکترون) برای تولید اجزای مدیریت حرارتی برای حفره های پیچیده.
2. رشته ي پزشکي
چالش ها:
اصلاح آنتی باکتریال ورق تیتانیوم: با پیوند سطحی یون های نقره / نانو اکسید روی، میزان ضد باکتری در عرض 24 ساعت > 99٪ است.
توسعه ورق تیتانیوم قابل تجزیه: تحقیق در مورد آلیاژ تیتانیوم-مگنیزیم-کالسیم، کنترل سرعت تجزیه در 0.01-0.1mm / سال، مناسب برای دستگاه های پشتیبانی موقت.
روند:
ورق تیتانیوم با مواد زیستی فعال (مانند هیدروکسیاپاتیت) ترکیب شده است تا یک رابط استخوان بیونیک ایجاد کند و چرخه بهبود ایمپلنت ها را کوتاه کند.
خلاصه
استفاده از ورق تیتانیوم در زمینه های هوافضا و پزشکی اساسا یک مطابقت دقیق بین عملکرد مواد و الزامات سناریو است:حوزه هوافضا بر روی قابلیت اطمینان در محیط های شدید تمرکز دارد، در حالی که زمینه پزشکی بر روی ایمنی زیستی و سازگاری عملکردی تمرکز دارد. با پیشرفت فناوری های نانو پردازش و مهندسی سطح،ورق تیتانیوم امکاناتی را در زمینه های پیشرفته مانند فضاپیماهای قابل استفاده مجدد و ایمپلنت های پزشکی قابل تجزیه باز می کند.
ورق تیتانیوم دارای کاربردهای غیر قابل جایگزینی در زمینه های هوافضا و پزشکی است به دلیل قدرت بالا، وزن کم، مقاومت در برابر خوردگی و سازگاری بیولوژیکی عالی.در زیر شرح سناریوهای کاربردی خاص است.، الزامات فنی و موارد معمول در دو زمینه اصلی:
一زمینه هوافضا: مواد کلیدی در محیط های شدید
ورق تیتانیومبه طور عمده در زمینه هوافضا برای کاهش وزن ساختاری، اجزای مقاوم در برابر دمای بالا / خوردگی، محافظت از تجهیزات الکترونیکی و سناریوهای دیگر استفاده می شود.و باید با خواص مکانیکی و قابلیت تطبیق با محیط زیست مطابقت داشته باشد..
1اجزای ساختاری و حفاظت حرارتی
سناریوهای کاربرد:
استفاده از قطعات ساختاری سبک مانند پوست هواپیما، قاب بال و پارتیشن های محورورق تیتانیومنسبت قدرت بالا به وزن برای کاهش وزن کل ماشین (مانند تیتانیوم تیتر Boeing 787 15٪ را تشکیل می دهد).
نوزل موتور موشک، لایه های حفاظت حرارتی فضاپیما،برای مقاومت در برابر دمای بالا (>600°C) و پاک کردن گاز با فشار بالا (مانند ورق آلیاژ تیتانیوم برای لایه عایق موتور موشک Falcon SpaceX).
الزامات فنی:
مقاومت کششی ≥800MPa، طول کششی ≥10٪ و باید از آزمون خستگی (نمونه سازی ده ها هزار چرخه پرواز و فرود) عبور کند.
مقاومت در برابر اکسیداسیون در دمای بالا: کار طولانی مدت در 500 درجه سانتیگراد، ضخامت لایه اکسید سطح <5μm.
2تجهیزات الکترونیک و محافظ الکترومغناطیسی
سناریوهای کاربرد:
Electromagnetic shielding covers of satellite communication equipment and radar systems use the conductivity of titanium foil (electrical conductivity is about 18% of copper) to block external interference.
زیربنای تبعید گرما تجهیزات هواپیمایی ترکیبی ازورق تیتانیومبا مواد کامپوزیت سرامیکی/فلزی برای دستیابی به رسانایی حرارتی بالا (رانش گرمی ≈15W/m・K) و سازگاری عایق بندی.
الزامات فنی:
تحمل ضخامت ورق ± 2٪ (مانند تحمل ورق تیتانیوم 0.1mm ≤ ± 0.002mm) ، خشکی سطح Ra≤ 0.8μm برای اطمینان از ماشینکاری دقیق.
3. محوطه ی شدید مهر و بستن و اتصال
سناریوهای کاربرد:
بسته بندی سیستم های سوخت موتور هواپیمایی، مقاوم به خوردگی و لرزش کروزین هواپیمایی؛ بسته بندی نوار های فولیک دریچه های خلاء فضاپیما برای جلوگیری از نشت گاز.
شاشه های ضد گشایش در مفاصل پیچ خورده از اثر حافظه استفاده می کنندورق تیتانیوم(حفاظت از بارگذاری پیش از تغییر پلاستیکی کمی)
نمونه ای از این قضیه:
مهر و موم فولیک آلیاژ تیتانیوم ایرباس A350 XWB میزان نشت سیستم سوخت را بیش از 90٪ کاهش می دهد.
二زمینه پزشکی: معیارهای دوگانه ایمنی و عملکرد
در زمینه پزشکی، ورق تیتانیوم بر روی دستگاه های کاشت قابل، ابزار جراحی دقیق و تجهیزات in vitro تمرکز دارد. الزامات اصلی سازگاری زیستی (غیر سمی، غیر حساس سازی) ،مقاومت در برابر خوردگی مایعات بدن، و دقت پردازش.
1دستگاه های پزشکی قابل کاشت
سناریوهای کاربرد:
ایمپلنت های ارتوپدیک: مانند شبکه تیتانیوم برای تعمیر جمجمه و دستگاه های همجوشی ستون فقرات (فایل تیتانیوم در یک ساختار متخلخل برای ترویج رشد سلول های استخوانی است).با استفاده از استئوکاندکتیویتی تیتانیوم (قوه پیوند با استخوان های انسان بیش از 30MPa است).
استنت قلب: ورق تیتانیوم بسیار نازک (ضخامت 0.05 - 0.1 میلی متر) با لیزر به یک ساختار شبکه ای برش داده می شود تا رگ های خونی را پشتیبانی کند و انعطاف پذیری را حفظ کند (نیرو پشتیبانی شعاعی ≥5N / mm).
استانداردهای فنی:
باید مطابق با ISO 5832-2 (تیتانیوم و آلیاژ های تیتانیوم برای ایمپلنت های جراحی) ، پاکی ≥ 99.5٪، محتوای ناخالصی (مانند Fe، C، N) ≤ 0.3٪ باشد.
سطح باید الکتروپولیس شود (سطح Ra ≤ 0.2μm) و برای افزایش چسبندگی سلول با پلاسمای درمان شود.
2ابزار جراحی دقیق
سناریوهای کاربرد:
تیغه های میکرو جراحی (ضخامت ≤ 0.02 میلی متر) ، گرفتگی های بیوپسی اندوسکوپی، با استفاده از سختی بالا (HV ≥ 200) و مقاومت در برابر خستگی از ورق تیتانیوم (باز کردن و بستن مکرر 100،000 بار بدون تغییر شکل).
قطعات اتصال پایه ایمپلنت دندان، ورق تیتانیوم در رشته های سطح میکرو، با دقت تطبیق ± 5μm است.
مشکلات پردازش:
تکنولوژی میکرو استامپ (دقیقیت قالب ± 1μm) و ماشینکاری الکترو اسپارک مورد نیاز است تا از کاهش عملکرد ناشی از گرم شدن بیش از حد مواد جلوگیری شود.
3تجهیزات پزشکی in vitro
سناریوهای کاربرد:
ورق الکترود گلوکوز خون قابل حمل، پوشش پلاتین/ایریدیوم بر روی سطح ورق تیتانیوم،بهبود ثبات الکتروشیمیایی (شکستگی جریان < ۵٪ پس از ۵۰۰ چرخه آزمایش ولتامتری چرخه ای).
پوسته آلیاژ تیتانیوم دیالیزر می تواند در برابر ضد عفونی کردن با محلول هایپوکلریت سدیم (سرعت خوردگی <0.001mm/سال در غلظت 2000ppm) مقاومت کند.
نمونه ای از این قضیه:
دریچه قلب CoreValve از Medtronic استفاده می کند.ورق تیتانیومبرای ساخت قاب استنت، و میزان نفوذ بیش از 95 درصد 10 سال پس از جراحی است.
三چالش های اصلی تکنولوژی و روند توسعه
1حوزه هوافضا
چالش ها:
یکنواخت رولینگ ورق تیتانیوم بسیار نازک (<0.05mm): فرآیند روانکاری سطح نانو (مانند روانکاری مایع یون) باید برای کاهش نوسانات ضخامت توسعه یابد.
پوشش ضد اکسیداسیون در محیط با دمای بالا: تحقیق در مورد پوشش کامپوزیت نیتریت تیتانیوم (TiN) / اکسید آلومینیوم (Al2O3) برای افزایش محدودیت مقاومت دمایی به بیش از 800 °C.
روند:
چاپ سه بعدی از ساختارهای لایه بندی شده از ورق تیتانیوم (مانند تکنولوژی ذوب کرن الکترون) برای تولید اجزای مدیریت حرارتی برای حفره های پیچیده.
2. رشته ي پزشکي
چالش ها:
اصلاح آنتی باکتریال ورق تیتانیوم: با پیوند سطحی یون های نقره / نانو اکسید روی، میزان ضد باکتری در عرض 24 ساعت > 99٪ است.
توسعه ورق تیتانیوم قابل تجزیه: تحقیق در مورد آلیاژ تیتانیوم-مگنیزیم-کالسیم، کنترل سرعت تجزیه در 0.01-0.1mm / سال، مناسب برای دستگاه های پشتیبانی موقت.
روند:
ورق تیتانیوم با مواد زیستی فعال (مانند هیدروکسیاپاتیت) ترکیب شده است تا یک رابط استخوان بیونیک ایجاد کند و چرخه بهبود ایمپلنت ها را کوتاه کند.
خلاصه
استفاده از ورق تیتانیوم در زمینه های هوافضا و پزشکی اساسا یک مطابقت دقیق بین عملکرد مواد و الزامات سناریو است:حوزه هوافضا بر روی قابلیت اطمینان در محیط های شدید تمرکز دارد، در حالی که زمینه پزشکی بر روی ایمنی زیستی و سازگاری عملکردی تمرکز دارد. با پیشرفت فناوری های نانو پردازش و مهندسی سطح،ورق تیتانیوم امکاناتی را در زمینه های پیشرفته مانند فضاپیماهای قابل استفاده مجدد و ایمپلنت های پزشکی قابل تجزیه باز می کند.
