Titane
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Propriétés physiques

Propriétés physique de base

Caractéristiques physiques remarquables du titane :

  • Sa masse volumique est environ 60 % de celle de l’acier.
  • Sa tenue à la corrosion est exceptionnelle dans de nombreux milieux tels que l’eau de mer (Le terme de mer recouvre plusieurs réalités.) ou l’organisme humain.
  • Ses caractéristiques mécaniques restent élevées jusqu’à une 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 chaud, provenant du transfert...) d’environ 600 °C et restent excellentes jusqu’aux températures cryogéniques.
  • Il est disponible sous des formes et des types de produits très variés : lingots, billettes, barres, fils, tubes, brames, tôles, feuillard.
  • Sa valeur de susceptibilité magnétique (1,8 à 2,3×10-4) est inférieure à celle 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...) (3×105). C'est donc un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base...) avantageux en cas de diagnostic (Le diagnostic (du grec δι?γνωση, diágnosi, à partir de δια-, dia-, „par, à travers, séparation, distinction“ et γν?ση, gnósi, „la...) par IRM : diminution des artefacts.
  • Son coefficient de dilatation (Les coefficients de dilatation mesurent l'augmentation relative de volume d'un système lorsque l'on ne fait varier qu'un seul paramètre, en général la pression ou la température.), légèrement inférieur à celui de l’acier, est moitié moins que celui de l’aluminium. On prendra pour valeur moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble s'ils étaient tous...) un coefficient (En mathématiques un coefficient est un facteur multiplicatif qui dépend d'un certain objet, comme une variable (par exemple, les coefficients d'un polynôme), un espace vectoriel, une fonction de base et ainsi de suite....) de dilatation (La dilatation est l'expansion du volume d'un corps occasionné par son réchauffement, généralement imperceptible. Dans le cas d'un gaz, il y a dilatation à pression constante ou maintien du volume et augmentation de la pression.) de 10,5×10-6 K-1.
  • Son module de Young ou module d'élasticité longitudinal se situe entre 100 000 MPa et 110 000 MPa. Cette valeur assez faible comparée à 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) en fait un matériau particulièrement intéressant pour sa biocompatibilité.

Propriétés cristallographiques

Le titane (Le titane est un élément chimique métallique de symbole Ti et de numéro atomique 22.) pur est le siège d’une transformation allotropique de type martensitique au voisinage (La notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la topologie. La topologie traite plus naturellement les notions globales comme la continuité qui...) de 882 °C. En dessous de cette température, la structure est hexagonale pseudo-compacte (a=0,295nm ; c = 0,468 nm : c/a = 1,633) et est appelée Ti α (groupe d'espace 194 / P63/mmc). Au-dessus de cette température la structure est cubique centrée (a=0,332 nm) et est appelée Ti β. La température de transition α→β est appelée transus β. La température exacte de transformation est largement influencée par les éléments substitutifs et interstitiels. Elle dépend donc fortement de la pureté du métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des...).

Isotopes

On trouve le titane sous la forme de 5 isotopes dans la nature : 46Ti, 47Ti, 48Ti, 49Ti, 50Ti. Le 48Ti représente l'isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique nucléaire, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même nombre de protons. Le nombre de protons dans le noyau d'un atome est désigné...) majoritaire avec une abondance naturelle (L'abondance naturelle est le pourcentage en nombre d'atomes de chacun des isotopes tel que trouvé dans la nature. La masse atomique de chacun des isotopes multipliée par leurs abondances...) de 73,8%. Onze radioisotopes ont été observés, le plus stable le 44Ti possède une demi-vie (La demi-vie est le temps mis par une substance (médicament, noyau radioactif, ou autres) pour perdre la moitié de son activité pharmacologique, physiologique ou radioactive. En...) de 63 ans.

Oxydes

  • Monoxyde de titane TiO
  • Dioxyde de titane (Le dioxyde de titane est une substance composée d'oxygène et de titane.) TiO
  • Trioxyde de titane TiO
  • Trioxyde de dititane TiO


L'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) photocatalytique de TiO2 est fortement affectée par sa cristallinité et dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa...) particulaire (Pecchi et al, 2001). La modification d'anatase est seulement suffisamment active dans la photocatalyse ayant une énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) Ebg d’espace de bande de 3,2 eV. Hombikat UV-100 TiO2 se compose de la modification pure d'anatase et ses particules ont une superficie (L'aire ou la superficie est une mesure d'une surface. Par métonymie, on désigne souvent cette mesure par le terme « surface » lui-même (par exemple, on parle de la...) de PARI d'environ 186 m2 g-1 (en appliquant la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent...) de Brunauer-Emmett-Teller d'adsorption (L'adsorption, à ne pas confondre avec l'absorption, est un phénomène de surface par lequel des molécules de gaz ou de liquides se fixent sur les surfaces solides des...) de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend à...) pour la détermination de l'isotherme d'adsorption). Cependant, la majorité d'investigations ont été effectuées en utilisant Degussa P-25 TiO2. Ce matériel se compose au sujet de l'anatase 80% et du rutile 20% et à une surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique,...) spécifique de BET à peu près 55 m2/g. Le diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la longueur de ce segment. Pour indiquer...) de ses particules se trouve habituellement entre 25 nm et 35 nm.

Propriétés chimiques

Corrosion classique du titane

Le titane est un métal extrêmement oxydable. Dans la série des potentiels électrochimiques standards, il se place au voisinage de l’aluminium, entre le magnésium et le zinc (Le zinc (prononciation /zɛ̃k/ ou /zɛ̃ɡ/) est un élément chimique, de symbole Zn et de numéro atomique 30.). Il n’est donc pas un métal noble, son domaine de stabilité thermodynamique (On peut définir la thermodynamique de deux façons simples : la science de la chaleur et des machines thermiques ou la science des grands systèmes en équilibre. La première définition est aussi la première dans...) ne présente, en effet, aucune partie commune avec le domaine de stabilité thermodynamique de l’eau et est situé fortement au-dessous de ce dernier. L’une des causes de la résistance à la corrosion du titane est le développement d’une couche protectrice passivante de quelques fractions de micromètre (Un micromètre (symbole μm) vaut 10-6 = 0, 000 001 mètre.), constituée majoritairement d’oxyde TiO2, mais il est reconnu qu’elle peut contenir d’autres variétés. Cette couche est intègre et très adhérente. En cas de rayure de la surface, l’oxyde se reforme spontanément en présence d’air ou d’eau. Il y a donc inaltérabilité du titane dans l’air, l’eau et l’eau de mer. De plus, cette couche est stable sur une large gamme de pH, de potentiel et de température.

Des conditions très réductrices, ou des environnements très oxydants, ou encore la présence d’ions fluor (Le fluor est un élément chimique de symbole F et de numéro atomique 9. Il s'agit du premier élément de la famille des halogènes, de masse atomique 19.) (agent complexant), diminuent le caractère protecteur de cette couche d’oxyde ; les réactifs d’attaque pour relever les micrographies sont le plus souvent à base d’acide fluorhydrique. Lors d’une réaction par cet acide (Un acide est un composé chimique généralement défini par ses réactions avec un autre type de composé chimique complémentaire, les bases.), il y a formation de cation titane (II) et (III). La réactivité des solutions acides peut néanmoins être réduite par l’adjonction d’agents oxydants et/ou d’ions lourds métalliques. L’acide chromique ou nitrique et les sels de fer, nickel (Le nickel est un élément chimique, de symbole Ni et de numéro atomique 28.), cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre pur est plutôt mou, malléable, et présente sur ses surfaces fraîches une teinte...) ou chrome (Le chrome est un élément chimique de symbole Cr et de numéro atomique 24.) sont alors d’excellents agents inhibiteurs. Cela explique pourquoi le titane peut être utilisé dans des procédés industriels et des environnements où les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) conventionnels se corroderaient.

On peut bien entendu modifier les équilibres électrochimiques par adjonction d’éléments d’addition qui réduisent l’activité anodique du titane ; cela conduit à améliorer la tenue à la corrosion. Selon les desiderata de modifications, on ajoute des éléments spécifiques. Une liste non exhaustive de quelques adjuvants classiques est reprise ci-dessous :

  • déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense déplaçant la valeur, et finalement...) du potentiel de corrosion et renforcement du caractère de cathode : adjonction de platine (Le platine est un élément chimique de symbole Pt et de numéro atomique 78.), palladium ou rhodium ;
  • accroissement de la stabilité thermodynamique et réduction de la propension à la dissolution anodique : adjonction de nickel, molybdène ou tungstène ;
  • augmentation de la tendance à la passivation : adjonction de zirconium, tantale, chrome ou molybdène.

Ces trois méthodes peuvent être combinées.

Corrosion spécifique du titane

Le titane est très peu sensible aux modes particuliers de corrosion tels que la corrosion caverneuse ou la corrosion par piqûre. Ces phénomènes ne sont observés qu’en cas d’utilisation dans un domaine proche d’une limite pratique de tenue à la corrosion générale. Les risques de corrosion sous contrainte apparaissent dans les conditions suivantes :

  • à froid (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.) dans l’eau de mer (en présence d’entailles aiguës seulement) ;
  • dans certains milieux particuliers tels que le méthanol anhydre ;
  • à chaud, en présence de NaCl fondu.

Les deux structures allotropiques se distinguent au niveau de la résistance à ce dernier type de corrosion ; le titane α y est fort sensible alors que le β quasiment pas.

lingot de titane cristallisé, pur à 99,995%
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