Mạnh Quân
Writer
Để xác định kim loại mạnh nhất trên Trái Đất, chúng ta cần đặt ra một số quy tắc cơ bản. Đầu tiên, có nhiều cách để đo độ bền của một kim loại cụ thể.
Độ bền kéo, được đo bằng pound trên inch vuông (psi), phản ánh tải trọng tối đa mà vật liệu có thể chịu được mà không bị gãy. Độ bền chảy đo lượng ứng suất cần thiết để gây ra biến dạng vĩnh viễn.
Vonfram có độ bền kéo và độ bền kéo cao nhất trong số các kim loại nguyên chất, khiến nó được cho là kim loại mạnh nhất thế giới. Tuy nhiên, nó không phải là nguyên tố kim loại cứng nhất hoặc thậm chí không phải là kim loại mạnh nhất theo trọng lượng.
Nói về kim loại nguyên chất, việc xác định kim loại mạnh nhất cũng đặt ra câu hỏi: Kim loại mạnh nhất phải là kim loại tự nhiên (kim loại không hợp kim) hay có thể là hợp kim của nhiều kim loại khác nhau? Thép được coi là hợp kim mạnh nhất trên Trái Đất.
Hãy cùng xem xét một số kim loại mạnh nhất trên Trái Đất và công dụng đáng ngạc nhiên của chúng.
Riêng loại kim loại quý này có độ cứng là 7,5 trên thang độ cứng Mohs (kim cương là 10), nhưng hợp chất cacbua vonfram cứng hơn nhiều (9,5) và được dùng để chế tạo công cụ.
Được đặt theo tên của những người khổng lồ Titan trong thần thoại Hy Lạp, titan có tỷ lệ độ bền kéo trên mật độ cao nhất trong số bất kỳ kim loại nào trên Trái đất. Hợp kim titan (hỗn hợp titan và các kim loại khác) tự hào có tỷ lệ độ bền trên trọng lượng cao nhất trong số bất kỳ kim loại nào trên hành tinh. Titan nguyên chất cứng như thép, nhưng nhẹ hơn 45%.
Tỷ lệ sức mạnh trên trọng lượng ấn tượng của titan đã khiến hợp kim titan trở thành vật liệu được sử dụng cho động cơ và thân máy bay, tên lửa, tên lửa đạn đạo - bất kỳ ứng dụng nào mà các thành phần kim loại cần phải cứng và nhẹ nhất có thể. Mặc dù không phải là kim loại đặc biệt hiếm, nhưng nó rất đắt vì chi phí khai thác và sản xuất nó.
Máy bay Airbus A380, máy bay chở khách lớn nhất thế giới, bao gồm 77 tấn (70 tấn mét) titan, chủ yếu ở động cơ khổng lồ của máy bay.
Nhờ một cải tiến luyện kim vào những năm 1930 có tên là "quy trình Knox", việc rèn titan thương mại đã diễn ra sôi nổi vào những năm 1940 và 1950. Ứng dụng đầu tiên là trên máy bay quân sự và tàu ngầm (cả của Mỹ và Nga), và sau đó là máy bay thương mại vào những năm 1960.
Phát hiện ra Titan
Quay trở lại năm 1791, một nhà khoáng vật học người Anh nghiệp dư và là mục sư nhà thờ William Gregor đã xúc được một ít cát đen kỳ lạ trong một dòng suối gần thị trấn Cornwall. Một số cát có từ tính, mà Gregor xác định là oxit sắt, nhưng vật liệu còn lại thì vẫn là một bí ẩn. Chắc chắn đó là một oxit khác, nhưng không phải là một oxit có trong sổ sách của Hội Địa chất Hoàng gia.
Nhà hóa học người Đức, Martin Heinrich Klaproth đã tái phát hiện ra oxit kỳ lạ vào năm 1795 và đặt cho nó cái tên thần thoại là titan oxit, theo tên các vị thần đi trước các vị thần trên đỉnh Olympus trong thần thoại Hy Lạp
Mặc dù được phát hiện vào cuối thế kỷ 18, titan nguyên chất vẫn chưa được tách khỏi oxit cho đến năm 1910, khi nhà hóa học người Mỹ Matthew Hunter, làm việc cho General Electric, tìm ra cách tách kim loại màu bạc khỏi oxit của nó dưới nhiệt độ và áp suất cao trong một "quả bom" kín.
Titan không rỉ sét
Ăn mòn là một quá trình điện hóa phá hủy dần hầu hết các kim loại theo thời gian. Khi kim loại tiếp xúc với oxy, trong không khí hoặc dưới nước, oxy sẽ bắt lấy các electron, tạo ra thứ mà chúng ta gọi là "oxit" kim loại. Một trong những oxit ăn mòn phổ biến nhất là oxit sắt, hay còn gọi là gỉ sét.
Nhưng không phải tất cả các oxit đều làm kim loại bên dưới bị ăn mòn. Khi titan tiếp xúc với oxy, nó tạo thành một lớp mỏng titanium dioxide (TiO 2) trên bề mặt của nó. Lớp oxit này thực sự bảo vệ titan bên dưới khỏi sự ăn mòn do hầu hết các axit, kiềm, ô nhiễm và nước mặn gây ra.
Tính chất chống ăn mòn tự nhiên của titan khiến nó trở thành vật liệu lý tưởng không chỉ cho máy bay mà còn cho các thành phần dưới nước tiếp xúc với nước mặn có tính ăn mòn cao. Chân vịt tàu hầu như luôn được làm từ titan, cũng như hệ thống đường ống và ballast bên trong tàu, và phần cứng trên tàu tiếp xúc với nước biển.
Titan sống trong các bộ phận cơ thể, từ đầu đến chân
Lớp mỏng titanium dioxide bảo vệ titanium khỏi bị ăn mòn cũng khiến nó trở thành vật liệu an toàn nhất để cấy ghép vào cơ thể con người. Titanium hoàn toàn "tương thích sinh học", nghĩa là nó không độc hại, không gây dị ứng và thậm chí có thể kết hợp với mô và xương của con người.
Titan là vật liệu phẫu thuật được lựa chọn cho cấy ghép xương và khớp, đĩa sọ, chân răng cấy ghép, chốt cho mắt và tai nhân tạo, van tim, hợp nhất cột sống và thậm chí cả ống niệu đạo. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng cấy ghép titan kích hoạt hệ thống miễn dịch của cơ thể để phát triển xương trực tiếp trên bề mặt titan, một quá trình gọi là tích hợp xương.
Một lý do khác khiến titan trở thành vật liệu thay thế hông và chốt cho xương gãy là vì titan có tỷ lệ độ bền trên trọng lượng cao, giúp cho cấy ghép có trọng lượng nhẹ, cộng với độ đàn hồi giống hệt như xương người.
Titan trong gậy đánh golf và các thiết bị thể thao khác
Khi giá titan nguyên chất giảm vào cuối thế kỷ 20, các nhà sản xuất bắt đầu tìm kiếm nhiều ứng dụng thương mại hơn cho loại kim loại tuyệt vời này. Độ bền nhẹ của titan khiến nó rất phù hợp cho các mặt hàng thể thao.
Những cây gậy đánh golf bằng titan đầu tiên đã có mặt tại các cửa hàng vào giữa những năm 1990, bao gồm một cây gậy đánh golf khổng lồ của Callaway được gọi là Great Big Bertha. Những cây gậy này đắt hơn so với gậy đánh golf bằng thép hoặc gỗ, nhưng thành công của chúng đã khiến các nhà sản xuất đồ thể thao khác bắt đầu sử dụng titan.
Bây giờ bạn có thể tìm thấy titan trong bất kỳ thiết bị thể thao nào cần trọng lượng, sức mạnh và độ bền: vợt tennis, gậy lacrosse, ván trượt tuyết, khung xe đạp, gậy bóng chày, thiết bị đi bộ đường dài và leo núi, đồ cắm trại và thậm chí cả móng ngựa cho ngựa đua chuyên nghiệp .
Sơn trắng (và kem phủ bánh) có chứa titan
Chỉ có 5 phần trăm trong số 6,3 triệu tấn titan được sản xuất mỗi năm được rèn thành kim loại. Phần lớn được chuyển thành titanium dioxide, cùng một vật liệu tự nhiên bảo vệ titan khỏi bị ăn mòn. Titanium dioxide được sử dụng trên toàn thế giới như một chất làm trắng không độc hại cho sơn, mỹ phẩm, thuốc và thực phẩm, bao gồm cả kem phủ bánh trắng.
Sơn trắng từng được nhuộm bằng chất màu gốc chì, nhưng khi biết được tác động của chì đến sức khỏe, titanium dioxide đã thay thế. Hóa ra chất màu gốc titan có một số đặc tính tuyệt vời.
Thợ sơn nhà chọn sơn trắng gốc titan vì chúng chống ăn mòn và bền hơn. Titan oxit có khả năng khúc xạ cực cao, mang lại độ sáng tự nhiên cao hơn kim cương và tạo ra sắc trắng đặc biệt sáng.
Titan oxit cũng phản xạ ánh sáng hồng ngoại, đó là lý do tại sao sơn gốc titan luôn được sử dụng ở bên ngoài các đài quan sát mặt trời để phân tán ánh sáng hồng ngoại làm mờ hình ảnh.
Độ bền kéo, được đo bằng pound trên inch vuông (psi), phản ánh tải trọng tối đa mà vật liệu có thể chịu được mà không bị gãy. Độ bền chảy đo lượng ứng suất cần thiết để gây ra biến dạng vĩnh viễn.
Vonfram có độ bền kéo và độ bền kéo cao nhất trong số các kim loại nguyên chất, khiến nó được cho là kim loại mạnh nhất thế giới. Tuy nhiên, nó không phải là nguyên tố kim loại cứng nhất hoặc thậm chí không phải là kim loại mạnh nhất theo trọng lượng.
Nói về kim loại nguyên chất, việc xác định kim loại mạnh nhất cũng đặt ra câu hỏi: Kim loại mạnh nhất phải là kim loại tự nhiên (kim loại không hợp kim) hay có thể là hợp kim của nhiều kim loại khác nhau? Thép được coi là hợp kim mạnh nhất trên Trái Đất.
Hãy cùng xem xét một số kim loại mạnh nhất trên Trái Đất và công dụng đáng ngạc nhiên của chúng.
Vonfram
Vonfram có điểm nóng chảy cao nhất (3695 K) và độ bền kéo cực đại (142.000 psi) trong số bất kỳ kim loại tự nhiên nào. Vonfram và hợp kim của nó đã được sử dụng để làm dây tóc cho bóng đèn sợi đốt và đèn TV.Riêng loại kim loại quý này có độ cứng là 7,5 trên thang độ cứng Mohs (kim cương là 10), nhưng hợp chất cacbua vonfram cứng hơn nhiều (9,5) và được dùng để chế tạo công cụ.
Thép
Thép là hợp kim của hai nguyên tố: sắt (kim loại) và cacbon (phi kim loại). Hợp kim thép khác nhau về tỷ lệ sắt trên thép cũng như bất kỳ kim loại bổ sung nào có trong đó. Ví dụ, để tạo ra thép không gỉ, bạn sẽ kết hợp thép với crom. Thép cacbon chứa tỷ lệ cacbon cao hơn, khiến nó cứng hơn các hợp kim thép khác.Osmi
Osmium là một trong những kim loại tự nhiên đặc nhất trên thế giới. Tuy nhiên, osmium rất giòn, vì vậy nó thường được sử dụng một cách tiết kiệm trong hợp kim. Bạn có thể tìm thấy osmium trong các thành phần mạch điện.Crom
Nếu bạn nghĩ về độ bền như độ cứng, bạn có thể coi crom là kim loại mạnh nhất thế giới. Với độ cứng là 8,5 trên thang Mohs, crom là kim loại cứng nhất trên Trái đất. Nó cũng chống ăn mòn, do đó mạ crom rất phổ biến.Titan
Được đặt theo tên của những người khổng lồ Titan trong thần thoại Hy Lạp, titan có tỷ lệ độ bền kéo trên mật độ cao nhất trong số bất kỳ kim loại nào trên Trái đất. Hợp kim titan (hỗn hợp titan và các kim loại khác) tự hào có tỷ lệ độ bền trên trọng lượng cao nhất trong số bất kỳ kim loại nào trên hành tinh. Titan nguyên chất cứng như thép, nhưng nhẹ hơn 45%.
Tỷ lệ sức mạnh trên trọng lượng ấn tượng của titan đã khiến hợp kim titan trở thành vật liệu được sử dụng cho động cơ và thân máy bay, tên lửa, tên lửa đạn đạo - bất kỳ ứng dụng nào mà các thành phần kim loại cần phải cứng và nhẹ nhất có thể. Mặc dù không phải là kim loại đặc biệt hiếm, nhưng nó rất đắt vì chi phí khai thác và sản xuất nó.
Máy bay Airbus A380, máy bay chở khách lớn nhất thế giới, bao gồm 77 tấn (70 tấn mét) titan, chủ yếu ở động cơ khổng lồ của máy bay.
Nhờ một cải tiến luyện kim vào những năm 1930 có tên là "quy trình Knox", việc rèn titan thương mại đã diễn ra sôi nổi vào những năm 1940 và 1950. Ứng dụng đầu tiên là trên máy bay quân sự và tàu ngầm (cả của Mỹ và Nga), và sau đó là máy bay thương mại vào những năm 1960.
Phát hiện ra Titan
Quay trở lại năm 1791, một nhà khoáng vật học người Anh nghiệp dư và là mục sư nhà thờ William Gregor đã xúc được một ít cát đen kỳ lạ trong một dòng suối gần thị trấn Cornwall. Một số cát có từ tính, mà Gregor xác định là oxit sắt, nhưng vật liệu còn lại thì vẫn là một bí ẩn. Chắc chắn đó là một oxit khác, nhưng không phải là một oxit có trong sổ sách của Hội Địa chất Hoàng gia.
Nhà hóa học người Đức, Martin Heinrich Klaproth đã tái phát hiện ra oxit kỳ lạ vào năm 1795 và đặt cho nó cái tên thần thoại là titan oxit, theo tên các vị thần đi trước các vị thần trên đỉnh Olympus trong thần thoại Hy Lạp
Mặc dù được phát hiện vào cuối thế kỷ 18, titan nguyên chất vẫn chưa được tách khỏi oxit cho đến năm 1910, khi nhà hóa học người Mỹ Matthew Hunter, làm việc cho General Electric, tìm ra cách tách kim loại màu bạc khỏi oxit của nó dưới nhiệt độ và áp suất cao trong một "quả bom" kín.
Titan không rỉ sét
Ăn mòn là một quá trình điện hóa phá hủy dần hầu hết các kim loại theo thời gian. Khi kim loại tiếp xúc với oxy, trong không khí hoặc dưới nước, oxy sẽ bắt lấy các electron, tạo ra thứ mà chúng ta gọi là "oxit" kim loại. Một trong những oxit ăn mòn phổ biến nhất là oxit sắt, hay còn gọi là gỉ sét.
Nhưng không phải tất cả các oxit đều làm kim loại bên dưới bị ăn mòn. Khi titan tiếp xúc với oxy, nó tạo thành một lớp mỏng titanium dioxide (TiO 2) trên bề mặt của nó. Lớp oxit này thực sự bảo vệ titan bên dưới khỏi sự ăn mòn do hầu hết các axit, kiềm, ô nhiễm và nước mặn gây ra.
Tính chất chống ăn mòn tự nhiên của titan khiến nó trở thành vật liệu lý tưởng không chỉ cho máy bay mà còn cho các thành phần dưới nước tiếp xúc với nước mặn có tính ăn mòn cao. Chân vịt tàu hầu như luôn được làm từ titan, cũng như hệ thống đường ống và ballast bên trong tàu, và phần cứng trên tàu tiếp xúc với nước biển.
Titan sống trong các bộ phận cơ thể, từ đầu đến chân
Lớp mỏng titanium dioxide bảo vệ titanium khỏi bị ăn mòn cũng khiến nó trở thành vật liệu an toàn nhất để cấy ghép vào cơ thể con người. Titanium hoàn toàn "tương thích sinh học", nghĩa là nó không độc hại, không gây dị ứng và thậm chí có thể kết hợp với mô và xương của con người.
Titan là vật liệu phẫu thuật được lựa chọn cho cấy ghép xương và khớp, đĩa sọ, chân răng cấy ghép, chốt cho mắt và tai nhân tạo, van tim, hợp nhất cột sống và thậm chí cả ống niệu đạo. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng cấy ghép titan kích hoạt hệ thống miễn dịch của cơ thể để phát triển xương trực tiếp trên bề mặt titan, một quá trình gọi là tích hợp xương.
Một lý do khác khiến titan trở thành vật liệu thay thế hông và chốt cho xương gãy là vì titan có tỷ lệ độ bền trên trọng lượng cao, giúp cho cấy ghép có trọng lượng nhẹ, cộng với độ đàn hồi giống hệt như xương người.
Titan trong gậy đánh golf và các thiết bị thể thao khác
Khi giá titan nguyên chất giảm vào cuối thế kỷ 20, các nhà sản xuất bắt đầu tìm kiếm nhiều ứng dụng thương mại hơn cho loại kim loại tuyệt vời này. Độ bền nhẹ của titan khiến nó rất phù hợp cho các mặt hàng thể thao.
Những cây gậy đánh golf bằng titan đầu tiên đã có mặt tại các cửa hàng vào giữa những năm 1990, bao gồm một cây gậy đánh golf khổng lồ của Callaway được gọi là Great Big Bertha. Những cây gậy này đắt hơn so với gậy đánh golf bằng thép hoặc gỗ, nhưng thành công của chúng đã khiến các nhà sản xuất đồ thể thao khác bắt đầu sử dụng titan.
Bây giờ bạn có thể tìm thấy titan trong bất kỳ thiết bị thể thao nào cần trọng lượng, sức mạnh và độ bền: vợt tennis, gậy lacrosse, ván trượt tuyết, khung xe đạp, gậy bóng chày, thiết bị đi bộ đường dài và leo núi, đồ cắm trại và thậm chí cả móng ngựa cho ngựa đua chuyên nghiệp .
Sơn trắng (và kem phủ bánh) có chứa titan
Chỉ có 5 phần trăm trong số 6,3 triệu tấn titan được sản xuất mỗi năm được rèn thành kim loại. Phần lớn được chuyển thành titanium dioxide, cùng một vật liệu tự nhiên bảo vệ titan khỏi bị ăn mòn. Titanium dioxide được sử dụng trên toàn thế giới như một chất làm trắng không độc hại cho sơn, mỹ phẩm, thuốc và thực phẩm, bao gồm cả kem phủ bánh trắng.
Sơn trắng từng được nhuộm bằng chất màu gốc chì, nhưng khi biết được tác động của chì đến sức khỏe, titanium dioxide đã thay thế. Hóa ra chất màu gốc titan có một số đặc tính tuyệt vời.
Thợ sơn nhà chọn sơn trắng gốc titan vì chúng chống ăn mòn và bền hơn. Titan oxit có khả năng khúc xạ cực cao, mang lại độ sáng tự nhiên cao hơn kim cương và tạo ra sắc trắng đặc biệt sáng.
Titan oxit cũng phản xạ ánh sáng hồng ngoại, đó là lý do tại sao sơn gốc titan luôn được sử dụng ở bên ngoài các đài quan sát mặt trời để phân tán ánh sáng hồng ngoại làm mờ hình ảnh.
