A folha de titânio tem aplicações insubstituíveis nos campos aeroespacial e médico devido à sua alta resistência, leveza, resistência à corrosão e excelente biocompatibilidade.A seguir está uma explicação dos cenários de aplicação específicos, requisitos técnicos e casos típicos nos dois principais domínios:
一- Área aeroespacial: materiais essenciais em ambientes extremos
Folha de titânioé utilizado principalmente no domínio aeroespacial para redução do peso estrutural, componentes resistentes a altas temperaturas/corrosião, blindagem de equipamentos eletrónicos e outros cenários,e devem satisfazer requisitos rigorosos de propriedades mecânicas e adaptabilidade ao ambiente.
1- componentes estruturais e protecção térmica
Cenários de aplicação:
Utilização de peças estruturais leves, tais como peles de aeronaves, estruturas de asas e divisórias do compartimento do motorde folha de titânioalta relação força/peso para reduzir o peso de toda a máquina (como a liga de titânio da fuselagem do Boeing 787 representa 15%).
Garrafas de motores de foguetes, camadas de protecção térmica de naves espaciais,para resistir a altas temperaturas (> 600°C) e à limpeza de gases sob alta pressão (como folha de liga de titânio para a camada de isolamento do motor do foguete Falcon da SpaceX).
Requisitos técnicos:
Resistência à tração ≥ 800 MPa, alongamento ≥ 10% e devem passar em ensaios de fadiga (simulando dezenas de milhares de ciclos de decolagem, pouso e voo).
Resistência à oxidação a altas temperaturas: serviço a longo prazo a 500 °C, espessura da camada de óxido superficial < 5 μm.
2Equipamento electrónico e blindagem electromagnética
Cenários de aplicação:
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.
O substrato de dissipação de calor dos equipamentos de aviónica combinafolha de titâniocom materiais compostos cerâmicos/metálicos para alcançar uma elevada condutividade térmica (conductividade térmica ≈15W/m・K) e compatibilidade com o isolamento.
Requisitos técnicos:
Tolerância de espessura da folha ± 2% (como a tolerância de folha de titânio de 0,1 mm de espessura ≤ ± 0,002 mm), rugosidade da superfície Ra≤ 0,8 μm para garantir a precisão do mecanizado.
3- Encerramento e ligação de ambiente extremo
Cenários de aplicação:
Garrafas de vedação dos sistemas de combustível dos motores de aviação, resistentes à corrosão e vibração do querosene da aviação; tiras de folha de vedação das escotilhas de vácuo das naves espaciais para evitar fugas de gás.
As válvulas anti-afrouxamento nas juntas de parafusos utilizam o efeito de memória defolha de titânio(manter a pré-carga após ligeira deformação plástica).
Caso típico:
A vedação de alumínio de liga de titânio do Airbus A350 XWB reduz a taxa de fugas do sistema de combustível em mais de 90%.
二- Área médica: dois critérios de referência de segurança e desempenho
No campo médico, a folha de titânio concentra-se em dispositivos implantáveis, ferramentas cirúrgicas de precisão e equipamentos in vitro.resistência à corrosão por fluidos corporais, e precisão de processamento.
1Dispositivos médicos implantáveis
Cenários de aplicação:
Implantes ortopédicos: tais como malhas de titânio para reparação do crânio e dispositivos de fusão espinhal (folha de titânio é estampada numa estrutura porosa para promover o crescimento de células ósseas),a utilização da osteoconductividade do titânio (a força de ligação com os ossos humanos é superior a 30 MPa).
Stent cardíaco: Folha de titânio ultra fina (espessura 0,05 - 0,1 mm) é cortada em uma estrutura de malha por laser para apoiar os vasos sanguíneos e manter a flexibilidade (força de suporte radial ≥ 5N/mm).
Normas técnicas:
Deve cumprir a norma ISO 5832-2 (titânio e ligas de titânio para implantes cirúrgicos), pureza ≥ 99,5%, teor de impurezas (tais como Fe, C, N) ≤ 0,3%.
A superfície deve ser polida por eletrólise (ruidez Ra ≤ 0,2 μm) e tratada com plasma para melhorar a adesão das células.
2Instrumentos cirúrgicos de precisão
Cenários de aplicação:
As lâminas microscópicas (espessura ≤ 0,02 mm), pinças endoscópicas para biópsia, utilizando a alta dureza (HV ≥ 200) e resistência à fadiga da folha de titânio (abertura e fechamento repetidos de 100,000 vezes sem deformação).
Partes de ligação da base do implante dentário, folha de titânio estampada em fios a nível de micrômetros, com uma precisão de correspondência de ± 5 μm.
Dificuldades de processamento:
É necessária a tecnologia de microestampagem (precisão do molde ± 1μm) e a usinagem por electricidade para evitar a degradação do desempenho devido ao sobreaquecimento do material.
3Equipamento médico in vitro
Cenários de aplicação:
Folha de eletrodo de medidor de glicose no sangue portátil, revestida de platina/irídio na superfície de folha de titânio,Melhorar a estabilidade eletroquímica (decaimento da corrente < 5% após 500 ciclos de ensaio de voltametria cíclica).
O revestimento de liga de titânio do dializador pode suportar a desinfecção com solução de hipoclorito de sódio (taxa de corrosão < 0,001 mm/ano a uma concentração de 2000 ppm).
Caso típico:
A válvula cardíaca do transcateter CoreValve da Medtronic utilizafolha de titâniopara fazer a estrutura do stent, e a taxa de permeabilidade é superior a 95% 10 anos após a cirurgia.
三Os principais desafios tecnológicos e as tendências de desenvolvimento
1Campo aeroespacial
Desafios:
Uniformidade de rolamento de folhas de titânio ultrafinas (< 0,05 mm): é necessário desenvolver um processo de lubrificação a nível nano (como a lubrificação de líquidos iónicos) para reduzir as flutuações de espessura.
Revestimento anti-oxidante em ambiente de alta temperatura: Investigação de revestimento composto de nitruro de titânio (TiN)/óxido de alumínio (Al2O3) para aumentar o limite de resistência à temperatura para mais de 800°C.
Tendência:
Impressão 3D de estruturas laminadas de folha de titânio (como a tecnologia de fusão por feixe de elétrons) para fabricar componentes de gestão térmica para cavidades complexas.
2- Campo médico.
Desafios:
Modificação antibacteriana da folha de titânio: por enxerto superficial de iões de prata/nano óxido de zinco, a taxa antibacteriana em 24 horas é > 99%.
Desenvolvimento de folhas de titânio degradáveis: investigação sobre liga de titânio-magnésio-calcio, controlo da taxa de degradação a 0,01-0,1 mm/ano, adequado para dispositivos de apoio temporários.
Tendência:
A folha de titânio é composta por materiais bioativos (como a hidroxiapatita) para construir uma interface óssea biônica e encurtar o ciclo de cicatrização dos implantes.
Resumo
A aplicação da folha de titânio nos campos aeroespacial e médico é essencialmente uma correspondência precisa entre o desempenho do material e os requisitos do cenário:O campo aeroespacial concentra-se na fiabilidade em ambientes extremosO desenvolvimento da nanotecnologia e das tecnologias de engenharia de superfícies contribuem para o desenvolvimento de novas tecnologias de segurança e adaptação funcional.A folha de titânio abrirá mais possibilidades em campos de ponta, como naves espaciais reutilizáveis e implantes médicos degradáveis.
A folha de titânio tem aplicações insubstituíveis nos campos aeroespacial e médico devido à sua alta resistência, leveza, resistência à corrosão e excelente biocompatibilidade.A seguir está uma explicação dos cenários de aplicação específicos, requisitos técnicos e casos típicos nos dois principais domínios:
一- Área aeroespacial: materiais essenciais em ambientes extremos
Folha de titânioé utilizado principalmente no domínio aeroespacial para redução do peso estrutural, componentes resistentes a altas temperaturas/corrosião, blindagem de equipamentos eletrónicos e outros cenários,e devem satisfazer requisitos rigorosos de propriedades mecânicas e adaptabilidade ao ambiente.
1- componentes estruturais e protecção térmica
Cenários de aplicação:
Utilização de peças estruturais leves, tais como peles de aeronaves, estruturas de asas e divisórias do compartimento do motorde folha de titânioalta relação força/peso para reduzir o peso de toda a máquina (como a liga de titânio da fuselagem do Boeing 787 representa 15%).
Garrafas de motores de foguetes, camadas de protecção térmica de naves espaciais,para resistir a altas temperaturas (> 600°C) e à limpeza de gases sob alta pressão (como folha de liga de titânio para a camada de isolamento do motor do foguete Falcon da SpaceX).
Requisitos técnicos:
Resistência à tração ≥ 800 MPa, alongamento ≥ 10% e devem passar em ensaios de fadiga (simulando dezenas de milhares de ciclos de decolagem, pouso e voo).
Resistência à oxidação a altas temperaturas: serviço a longo prazo a 500 °C, espessura da camada de óxido superficial < 5 μm.
2Equipamento electrónico e blindagem electromagnética
Cenários de aplicação:
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.
O substrato de dissipação de calor dos equipamentos de aviónica combinafolha de titâniocom materiais compostos cerâmicos/metálicos para alcançar uma elevada condutividade térmica (conductividade térmica ≈15W/m・K) e compatibilidade com o isolamento.
Requisitos técnicos:
Tolerância de espessura da folha ± 2% (como a tolerância de folha de titânio de 0,1 mm de espessura ≤ ± 0,002 mm), rugosidade da superfície Ra≤ 0,8 μm para garantir a precisão do mecanizado.
3- Encerramento e ligação de ambiente extremo
Cenários de aplicação:
Garrafas de vedação dos sistemas de combustível dos motores de aviação, resistentes à corrosão e vibração do querosene da aviação; tiras de folha de vedação das escotilhas de vácuo das naves espaciais para evitar fugas de gás.
As válvulas anti-afrouxamento nas juntas de parafusos utilizam o efeito de memória defolha de titânio(manter a pré-carga após ligeira deformação plástica).
Caso típico:
A vedação de alumínio de liga de titânio do Airbus A350 XWB reduz a taxa de fugas do sistema de combustível em mais de 90%.
二- Área médica: dois critérios de referência de segurança e desempenho
No campo médico, a folha de titânio concentra-se em dispositivos implantáveis, ferramentas cirúrgicas de precisão e equipamentos in vitro.resistência à corrosão por fluidos corporais, e precisão de processamento.
1Dispositivos médicos implantáveis
Cenários de aplicação:
Implantes ortopédicos: tais como malhas de titânio para reparação do crânio e dispositivos de fusão espinhal (folha de titânio é estampada numa estrutura porosa para promover o crescimento de células ósseas),a utilização da osteoconductividade do titânio (a força de ligação com os ossos humanos é superior a 30 MPa).
Stent cardíaco: Folha de titânio ultra fina (espessura 0,05 - 0,1 mm) é cortada em uma estrutura de malha por laser para apoiar os vasos sanguíneos e manter a flexibilidade (força de suporte radial ≥ 5N/mm).
Normas técnicas:
Deve cumprir a norma ISO 5832-2 (titânio e ligas de titânio para implantes cirúrgicos), pureza ≥ 99,5%, teor de impurezas (tais como Fe, C, N) ≤ 0,3%.
A superfície deve ser polida por eletrólise (ruidez Ra ≤ 0,2 μm) e tratada com plasma para melhorar a adesão das células.
2Instrumentos cirúrgicos de precisão
Cenários de aplicação:
As lâminas microscópicas (espessura ≤ 0,02 mm), pinças endoscópicas para biópsia, utilizando a alta dureza (HV ≥ 200) e resistência à fadiga da folha de titânio (abertura e fechamento repetidos de 100,000 vezes sem deformação).
Partes de ligação da base do implante dentário, folha de titânio estampada em fios a nível de micrômetros, com uma precisão de correspondência de ± 5 μm.
Dificuldades de processamento:
É necessária a tecnologia de microestampagem (precisão do molde ± 1μm) e a usinagem por electricidade para evitar a degradação do desempenho devido ao sobreaquecimento do material.
3Equipamento médico in vitro
Cenários de aplicação:
Folha de eletrodo de medidor de glicose no sangue portátil, revestida de platina/irídio na superfície de folha de titânio,Melhorar a estabilidade eletroquímica (decaimento da corrente < 5% após 500 ciclos de ensaio de voltametria cíclica).
O revestimento de liga de titânio do dializador pode suportar a desinfecção com solução de hipoclorito de sódio (taxa de corrosão < 0,001 mm/ano a uma concentração de 2000 ppm).
Caso típico:
A válvula cardíaca do transcateter CoreValve da Medtronic utilizafolha de titâniopara fazer a estrutura do stent, e a taxa de permeabilidade é superior a 95% 10 anos após a cirurgia.
三Os principais desafios tecnológicos e as tendências de desenvolvimento
1Campo aeroespacial
Desafios:
Uniformidade de rolamento de folhas de titânio ultrafinas (< 0,05 mm): é necessário desenvolver um processo de lubrificação a nível nano (como a lubrificação de líquidos iónicos) para reduzir as flutuações de espessura.
Revestimento anti-oxidante em ambiente de alta temperatura: Investigação de revestimento composto de nitruro de titânio (TiN)/óxido de alumínio (Al2O3) para aumentar o limite de resistência à temperatura para mais de 800°C.
Tendência:
Impressão 3D de estruturas laminadas de folha de titânio (como a tecnologia de fusão por feixe de elétrons) para fabricar componentes de gestão térmica para cavidades complexas.
2- Campo médico.
Desafios:
Modificação antibacteriana da folha de titânio: por enxerto superficial de iões de prata/nano óxido de zinco, a taxa antibacteriana em 24 horas é > 99%.
Desenvolvimento de folhas de titânio degradáveis: investigação sobre liga de titânio-magnésio-calcio, controlo da taxa de degradação a 0,01-0,1 mm/ano, adequado para dispositivos de apoio temporários.
Tendência:
A folha de titânio é composta por materiais bioativos (como a hidroxiapatita) para construir uma interface óssea biônica e encurtar o ciclo de cicatrização dos implantes.
Resumo
A aplicação da folha de titânio nos campos aeroespacial e médico é essencialmente uma correspondência precisa entre o desempenho do material e os requisitos do cenário:O campo aeroespacial concentra-se na fiabilidade em ambientes extremosO desenvolvimento da nanotecnologia e das tecnologias de engenharia de superfícies contribuem para o desenvolvimento de novas tecnologias de segurança e adaptação funcional.A folha de titânio abrirá mais possibilidades em campos de ponta, como naves espaciais reutilizáveis e implantes médicos degradáveis.
