Titane - Définition et Explications

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Histoire

Le titane a été découvert par le révérend William Gregor en 1794, minéralogiste et pasteur britannique. En analysant des sables de la rivière Helford dans la vallée de Menachan en Cornouailles, il isola ce qu'il nomma du sable noir, connu aujourd’hui sous le nom d'Ilménite. Suite à plusieurs manipulations physico-chimiques (extraction du fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie quotidienne,...) par des procédés magnétiques et traitement du résidu par de l’acide chlorhydrique), il produisit un oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins électronégatif, c'est-à-dire tous sauf le fluor. Oxyde désigne également l'ion oxyde O2-.) impur d'un métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des...) inconnu. Il nomma cet oxyde menachanite. Indépendamment de cette découverte, quatre ans plus tard, Martin Heinrich Klaproth, professeur de chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs ou proches.) analytique à l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au moment...) de Berlin, identifia le même métal. Alors qu'il analysait les propriétés du schörlite rouge, aujourd’hui connu sous le nom de rutile (Le rutile est une espèce minérale composée de dioxyde de titane de formule TiO2 avec des traces de Fe (près de 10% parfois) ;Ta;Nb;Cr;V;Sn. Le rutile est...), il conclut que le minerai contenait un métal inconnu identique à celui de Gregor. Il lui donna son nom actuel de « Titane », tiré de la mythologie grecque, en ignorant totalement ses propriétés physico-chimiques. Il a fallu attendre plus d'un siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui signifiait race, génération. Il a ensuite indiqué la durée d'une génération humaine et...) après la découverte de Gregor pour que l'américain Matthew Albert Hunter, chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines de recherche sont diversifiés et impliquent...) au Rensselaer Polytechnic Institute à Troy (New-York), soit capable, en 1910, de produire du titane (Le titane est un élément chimique métallique de symbole Ti et de numéro atomique 22.) pur à 99 %. Les premières obtentions de titane par Hunter ne furent pas suivies du moindre développement industriel.

En 1939, le procédé industriel de production fut finalement mis au point (Graphie) par Wilhelm Justin Kroll, métallurgiste et chimiste (Un chimiste est un scientifique qui étudie la chimie, c'est-à-dire la science de la matière à l'échelle moléculaire ou atomique ("supra-atomique"). Le mot...) luxembourgeois, consultant au Union Carbide Research Laboratory de Niagara Falls (New-York) par réduction du TiCl avec du magnésium (Le magnésium est un élément chimique, de symbole Mg et de numéro atomique 12.).

Propriétés mécaniques

Érosion

La couche d’oxyde très adhérente et dure explique la longévité (La longévité d'un être vivant est la durée de vie pour laquelle il est biologiquement programmé, dans des conditions...) de pièces en titane soumises aux chocs de particules en suspension ( Le fait de suspendre des particules En chimie, la suspension désigne une dispersion de particule. En géomorphologie, la suspension est un mode de...) dans les fluides. Cet effet est amplifié par la capacité qu'a cette couche de se régénérer. L'érosion dans l’eau de mer (Le terme de mer recouvre plusieurs réalités.) est augmentée par un débit (Un débit permet de mesurer le flux d'une quantité relative à une unité de temps au travers d'une surface quelconque.) plus élevé ou une granulométrie plus faible.

Résistance et ductilité (La ductilité désigne la capacité d'un matériau à se déformer plastiquement sans se rompre. La rupture se fait lorsqu'un défaut (fissure ou cavité), induit par la déformation plastique, devient critique et se propage. La...)

Le titane est considéré comme un métal ayant une résistance mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout...) importante et une bonne ductilité dans les conditions standard de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de...). Sa résistance spécifique (rapport résistance à la traction / densité) est , par exemple, plus élevé que celle de l’aluminium ou l’acier. Sa résistance est décroissante avec à la température avec un replat entre -25 °C et 400 °C. En dessous de -50 °C, dans les domaines de températures cryogéniques, sa résistance augmente et sa ductilité diminue grandement. Sans qu’il n’y ait aucun fondement théorique, l’endurance en fatigue vaut environ 70% de la résistance à la traction.

Usure et grippage

Jusqu’à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les...) aucune solution satisfaisante n’a encore été mise au point. On a essayé principalement l’oxydation, la nitruration, la boruration et la carburation. On se heurte à de nombreuses difficultés technologiques de réalisation et d’adhérence. Ajoutons que les traitements de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est...) du titane, modifiant la nature ou la structure de la surface, ne sont à employer qu’avec la plus grande prudence et après une étude approfondie de leur influence ; ils ont généralement un effet néfaste plus ou moins prononcé sur la résistance et la fatigue.

Biocompatibilité

Le titane est l’un des métaux les plus biocompatibles, avec l’or et le platine (Le platine est un élément chimique de symbole Pt et de numéro atomique 78.), c’est-à-dire qu’il résiste totalement aux fluides corporels.

De plus, il possède une haute résistance mécanique et un module d’élasticité très bas (100 000 MPa à 110 000 MPa), plus proche de celui des structures osseuses (20 000 MPa) que l'acier (L’acier est un alliage métallique utilisé dans les domaines de la construction métallique (voir aussi l’article sur la théorie du soudage de l’acier) et de la construction mécanique.) inox (220 000 MPa). Cette élasticité qui favorise remodelage osseux en l'obligeant l'os à travailler (prévention du stress (Le stress (« contrainte » en anglais), ou syndrome général d'adaptation, est l'ensemble des réponses d'un organisme soumis à des contraintes...) shielding ou ostéoporose (L'ostéoporose est une maladie caractérisée par une fragilité excessive du squelette, due à une diminution de la masse osseuse et à l'altération de la microarchitecture osseuse....) peri-implantaire) fait du titane un biomatériau particulièrement intéressant. Il faut cependant noter qu'une élasticité excessive peut aussi compromettre la fonction du biomatériau qui aurait subi une déformation inacceptable.

Le Centre international de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche...) sur le cancer (Le cancer est une maladie caractérisée par une prolifération cellulaire anormalement importante au sein d'un tissu normal de l'organisme, de...) (CIRC) a classé le dioxyde de titane (Le dioxyde de titane est une substance composée d'oxygène et de titane.) dans le groupe 2B « susceptible d’être cancérigène pour l’humain » : les études menées ne permettent pas de conclure.

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