Χρωματισμός του τιτανίου μέσω οξείδωσης και εφαρμογές

Το τιτάνιο είναι γνωστό για τις ανώτερες μηχανικές του ιδιότητες που περιλαμβάνουν υψηλή μηχανική αντοχή -παρά τη χαμηλή πυκνότητα- καθώς και υψηλή αντοχή στη διάβρωση. Παρόλο που δεν είναι πολύτιμο μέταλλο ή σπάνια γαία, το τιτάνιο είναι αρκετά ακριβό. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η διαδικασία εξόρυξης τιτανίου από το μετάλλευμα του απαιτεί μεγάλη ένταση πόρων.

Οι μηχανικές του ιδιότητες καθιστούν πολύ δύσκολη τη διαμόρφωση και τη μηχανική του κατεργασία, αυξάνοντας το κόστος του τελικού προϊόντος. Η διαδικασία εξαγωγής τιτανίου δεν έχει αλλάξει πολύ με τα χρόνια, διατηρώντας τον πήχη ψηλά όσον αφορά στη χρήση αυτού του άφθονου μετάλλου.

Αν κρίνουμε από το σίδηρο, τα μέταλλα δεν συμβιώνουν πολύ καλά με το οξυγόνο. Ωστόσο, αυτό δεν ισχύει για το τιτάνιο. Το τιτάνιο οξειδώνεται τόσο με τη θερμότητα όσο και με την εφαρμογή ηλεκτρικού ρεύματος, σχηματίζοντας ένα ουσιαστικά αδιαπέραστο στρώμα οξειδίου. Αυτό το στρώμα οξειδίου παρουσιάζει πολλές εξαιρετικές ιδιότητες όπως η μηχανική ακαμψία και οι οπτικές ιδιότητες.

Με αύξηση της θερμοκρασίας ή της τάσης, το πάχος του στρώματος οξειδίου αυξάνεται. Σε αντίθεση με τη σκουριά, το οξείδιο του τιτανίου μπορεί να είναι επίμονο και απαιτεί μηχανικά μέσα για να αφαιρεθεί.

Κανένας από τους χρωματισμούς που παρατηρούνται στο τιτάνιο λόγω οξείδωσης δεν μπορεί να αποδοθεί σε αλλαγή χημικής σύνθεσης ή προσθήκη χρωστικής ουσίας. Στην πραγματικότητα, είναι μία οπτική ψευδαίσθηση που δημιουργείται από την αντανάκλαση του φωτός στο λεπτό στρώμα οξειδίου.

Το στρώμα οξειδίου είναι λεπτό και διαφανές, αναγκάζοντας το φως να αντανακλάται τόσο στο πάνω όσο και στο κάτω μέρος του. Ως εκ τούτου, υπάρχει παρεμβολή των ανακλώμενων ακτίνων φωτός, με αποτέλεσμα ορισμένα μήκη κύματος φωτός να αποκόπτονται, ενώ άλλα να ενισχύονται για να παράγουν λαμπερά χρώματα. Αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό ως «παρεμβολή λεπτής μεμβράνης». 

Με την αύξηση της θερμότητας ή της τάσης, το στρώμα οξείδωσης γίνεται παχύτερο και πιο σταθερό. Αυτό επιφέρει αλλαγή στο δείκτη διάθλασης και έχει ως αποτέλεσμα τόσο διακριτές όσο και συνεχείς αποχρώσεις. Εκτός εάν αφαιρεθεί μηχανικά, ο χρωματισμός στο τιτάνιο είναι μόνιμος, ακόμη και μετά την αφαίρεση της θερμότητας ή της τάσης.

Το τιτάνιο οξειδώνεται από τη θερμότητα. Δεδομένου ότι η ροή της θερμότητας μέσα στο μέταλλο δεν μπορεί να ελεγχθεί με φυσικό τρόπο, η θερμική οξείδωση μπορεί να είναι μια αρκετά δύσκολη διαδικασία για την επίτευξη ενός επιθυμητού, οριστικού φινιρίσματος. Εκτός από εξειδικευμένο εξοπλισμό για ομοιόμορφη θέρμανση, απαιτείται μετα-επεξεργασία για την αφαίρεση στρωμάτων οξειδίου από ανεπιθύμητες περιοχές.

Για μία τέτοια επεξεργασία χρησιμοποιούνται διεργασίες όπως η εκλεκτική αμμοβολή και τεχνικές μηχανικής τριβής, όπως η λείανση. Το πάχος του στρώματος οξειδίου αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Εξαιτίας αυτού, τα διάφορα χρώματα των οξειδίων του τιτανίου σχετίζονται με διαφορετικά εύρη θερμοκρασίας.

Το στρώμα οξειδίου στο τιτάνιο μπορεί επίσης να επιτευχθεί με την υποβολή του σε ηλεκτρικό ρεύμα όταν βυθίζεται σε ένα αγώγιμο μέσο (ηλεκτρολύτη). Το τιτάνιο αντιδρώντας με το οξυγόνο δημιουργεί στην επιφάνεια του μετάλλου ένα στρώμα οξειδίου του τιτανίου. Το στρώμα του οξειδίου δρα σαν πρίσμα. Ανάλογα με το πάχος του στρώματος, το οποίο σχετίζεται με την εφαρμοζόμενη τάση του ρεύματος, το φως ανακλάται και διαθλάται στην επιφάνεια του οξειδίου και παράγεται ευρεία γκάμα λαμπερών χρωμάτων. 

Το πάχος του φιλμ του οξειδίου παραμένει σταθερό για μια δεδομένη τάση, συνεπώς διαφορετικές τάσεις θα αντιστοιχούν σε διαφορετικά χρώματα. Επίσης το πάχος μπορεί να τροποποιηθεί αλλάζοντας τη φύση του ηλεκτρολύτη. Οι όξινοι και οι ουδέτεροι ηλεκτρολύτες δημιουργούν λεπτότερα στρώματα οξειδίου του τιτανίου που συνήθως κυμαίνονται σε λίγα νανόμετρα, ενώ οι αλκαλικοί διαλύτες παράγουν επικαλύψεις πάχους πολλών μικρόμετρων.

Η χρήση ηλεκτρισμού ως μέσου παραγωγής έγχρωμων οξειδίων του τιτανίου παρουσιάζει μερικά πλεονεκτήματα σε σχέση με τη χρήση θερμότητας. Η ροή του ηλεκτρισμού μπορεί να ελεγχθεί και η επιλεκτική εμβάπτιση και κάλυψη επιτρέπει μόνο στις επιθυμητές περιοχές του τεμαχίου εργασίας να πάρουν χρώμα.

Η ανοδίωση του τιτανίου είναι μια πιο εφικτή λύση από την οξείδωση του μέσω θέρμανσης. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η τάση που απαιτείται για την παραγωγή ενός συγκεκριμένου χρώματος είναι ευκολότερο να ελεγχθεί σε σχέση με τη θερμοκρασία που αναπτύσσεται κατά τη διαδικασία της θέρμανσης.

Το χρωματισμένο τιτάνιο βρίσκει διάφορες χρήσεις στην αισθητική, στην ιατρική και την αυτοκινητοβιομηχανία. Χρησιμοποιείται σε κοσμήματα, ιατρικά εργαλεία και εμφυτεύματα, σωλήνες εξάτμισης σπορ αυτοκινήτων και μονάδες απαγωγής θερμότητας.

Το τιτάνιο δεν είναι το μόνο μέταλλο που παρουσιάζει χρωματισμό λόγω οξείδωσης. Το νιόβιο, το ταντάλιο και πολλά κράματα χάλυβα, όπως ο απλός και ο ανοξείδωτος χάλυβας, παρουσιάζουν επίσης μέσω κατάλληλων διεργασιών. Ωστόσο, το τιτάνιο έχει μοναδικά πλεονεκτήματα που το καθιστούν ιδιαίτερο στην απόδοση χρωματισμών μέσω οξείδωσης. Μερικά από αυτά περιλαμβάνουν βιοσυμβατότητα, υψηλή αντοχή στη διάβρωση και μακροπρόθεσμη σταθερότητα του στρώματος οξειδίου.

Το τιτάνιο και τα οξείδια του είναι επίσης πολύ ελαφριά και αυτό τους δίνει σημαντικό πλεονέκτημα απόδοσης έναντι των ανταγωνιστικών κραμάτων όπως ο ανοξείδωτος χάλυβας. Το μόνο μειονέκτημα στη χρήση του τιτανίου και των οξειδίων του είναι ότι είναι εξαιρετικά ακριβά.