Titanschaum

Titanschaum (auch als poröses Titan bekannt) ist ein leichtes, poröses, fortschrittliches metallisches Material.

Es wird durch Pulvermetallurgie, Sintern nach dem Platzhalterverfahren oder 3D-Druckverfahren hergestellt, wobei die Porosität 40–90 % erreicht und die Porengrößen typischerweise zwischen 100 und 1000 Mikrometern liegen. Diese Struktur reduziert das Gewicht erheblich und behält gleichzeitig die Korrosionsbeständigkeit, hohe Festigkeit und Biokompatibilität von Titan bei.

Gegenüber herkömmlichem massivem Titan bietet Titanschaum eine größere spezifische Oberfläche und einen Elastizitätsmodul, der näher an dem des menschlichen Knochens liegt. Darüber hinaus erreicht er eine hohe katalytische Effizienz in Elektrolyseelektroden für neue Energietechnologien und eignet sich für medizinische Implantate, Wärmeübertragung und Kühlung, Filtration sowie Energieabsorptionsstrukturen.

Als professioneller Lieferant von Titanschaum bieten wir Produkte in verschiedenen Qualitäten wie Grade 1, Grade 2 und Grade 23 (ELI) mit kundenspezifischer Porosität, Porengröße, Abmessungen und Oberflächenbeschichtungen (Pt, Ir, TiN) nach Kundenwunsch an. gängige Standardspezifikationen ab Lager sind für eine schnelle Lieferung verfügbar, und sowohl kleine Musterbestellungen als auch Lieferungen in industriellen Großmengen werden unterstützt.

Kernvorteile von Titanschaum

Extrem geringes Gewicht

Titanschaum hat eine Dichte von nur 0,5–1,0 g/cm³ (Daten von Supplies LLC), verglichen mit 4,5 g/cm³ für dichtes Titan, wodurch eine Gewichtsreduzierung von über 70 % erreicht wird. Diese leichte Eigenschaft reduziert das Systemgewicht erheblich und verbessert die spezifische Leistung und den Gesamtwirkungsgrad in der Luft- und Raumfahrt sowie bei tragbaren Geräten., MSE

Hohe spezifische Oberfläche

Mit einer Porosität von 75–95 % und einer offenen Porengröße von 100–1000 μm (Techinstro-Daten) bietet Titanschaum eine viel größere Oberfläche als massives Titan. Die vergrößerte aktive Oberfläche ermöglicht eine höhere elektrochemische Aktivität und einen effizienteren Stofftransport und ist damit ideal für elektrolytische Elektroden und Katalysatorträger.

Abstimmbare mechanische Eigenschaften

Durch die gezielte Einstellung der Porosität kann Titanschaum die strukturelle Unterstützung und die Energieabsorption ausgleichen. Studien zeigen: Bei 60 % Porosität beträgt die Druckfestigkeit etwa 80 MPa und der Elastizitätsmodul etwa 2,7 GPa (Daten von ACS Publications); bei 78 % Porosität beträgt die Druckfestigkeit etwa 35 MPa und der Elastizitätsmodul etwa 5,3 GPa (Daten der Northwestern University). Dies zeigt seine Fähigkeit, die mechanischen Eigenschaften flexibel an unterschiedliche Anwendungsanforderungen anzupassen.

Biokompatibilität & reduzierte Spannungsabschirmung

Der Elastizitätsmodul von Titanschaum kann auf 0,5–5 GPa (PMC-Daten) abgestimmt werden, was nahe dem Bereich von 7–30 GPa des menschlichen Knochens liegt. Diese Ähnlichkeit reduziert effektiv die Spannungsabschirmung, fördert das Einwachsen von Knochen und die Vaskularisation und macht es zu einem idealen Material für medizinische Implantate.

Ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit

Dank des natürlichen passiven Oxidfilms von Titan bleibt Titanschaum in chloridhaltigen Umgebungen, Meerwasser und sauren Medien stabil (Wikipedia-Daten). Diese Eigenschaft macht es für den langfristigen Einsatz unter rauen chemischen, elektrolytischen und maritimen Bedingungen geeignet.

Elektrische und thermische Eigenschaften

Titanschaum behält die inhärente elektrische und thermische Leitfähigkeit von Titan bei. Seine poröse 3D-Struktur sorgt für eine gleichmäßigere Stromverteilung und einen deutlich reduzierten Wärmewiderstand, wodurch sowohl der katalytische Wirkungsgrad der Elektrode als auch die Leistung von Wärmetauschern und Heizkörpern verbessert werden.

Arten von Titanschaum, die von Chalco Titanium erhältlich sind

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  Offenporiger Titanschaum

  Eigenschaften: Porosität bis zu 40–90 %, Porengröße 100–1000 μm, Dichte nur 0,5–1,0 g/cm³, was zu einer deutlichen Gewichtsreduzierung führt.

  Anwendungen: Wird häufig in Kühlkörpern, Katalysatorträgern, energieabsorbierenden Strukturen und Filtern verwendet.

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  Geschlossenzelliger Titanschaum (energieabsorbierender Typ)

  Eigenschaften: Geschlossenzellige Porenstruktur mit höherer Plateauspannung, die eine thermische und akustische Isolierung bietet.

  Anwendungen: Wird häufig in Energieabsorber für die Luft- und Raumfahrt, Crashstrukturen im Automobilbau und akustischen Dämpfungsmaterialien verwendet.

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  Medizinischer Ti-6Al-4V ELI-Titanschaum

  Eigenschaften: Elastizitätsmodul von 0,5–5 GPa, nahe dem des menschlichen Knochens, mit ausgezeichneter Biokompatibilität.

  Anwendungen: Wird für Zahnimplantate, Interbody-Fusionsimplantate und Knochenreparaturimplantate verwendet.

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  Additiv gefertigter Gitter-Titanschaum (kundenspezifische Strukturen)

  Eigenschaften: Komplexe Gitter- und Gradientenporositätsdesigns, die durch 3D-Druck erreicht werden.

  Anwendungen: Geeignet für leichte Wärmetauscher, energieabsorbierende Komponenten für die Luft- und Raumfahrt und kundenspezifische Implantate.

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  Platinbeschichteter Titanschaum (elektrokatalytische Qualität)

  Eigenschaften: Oberflächenbeschichtet mit einer 2–5 μm Pt-Schicht, die elektrochemische Aktivität erhöht und eine Lebensdauer von über 10.000 Stunden erreicht.

  Anwendungen: Wird hauptsächlich in der PEM/alkalischen Wasserelektrolyse, Elektrochlorierung und Galvanikanoden verwendet.

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  Iridium-beschichteter Titanschaum (hohe Korrosionsbeständigkeit)

  Eigenschaften: Oberfläche mit ca. 1 μm Ir-Schicht bedeckt, stabil und langlebig in Umgebungen mit starken Säuren und hohem Chloridgehalt.

  Anwendungen: Geeignet für Meerwasserelektrolyse, aggressive chemische Elektroden und Brennstoffzellen.

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  Titanfaserfilz (flexibles, poröses Titan)

  Eigenschaften: Hergestellt durch Sintern von feinen Titandrähten mit einer Porosität von 70–80 %; Bleche sind flexibel und biegsam.

  Anwendungen: Wird häufig in PEM-Elektrolyseur-Transportschichten, Gasdiffusionsschichten und Hochtemperaturfiltration verwendet.

Spezifikationen und Anpassungsmöglichkeiten von Titanschaum

Legierungsqualitäten

Größenbereich

Porosität und Porengröße

• Porosität: vier Standardstufen mit 40 %, 60 %, 75 % oder 90 %; kundenspezifische Abstufungen in 5-%-Schritten sind möglich.
• Porengröße: Stufenlos wählbar von 100 μm bis 2 mm; ≥ 500 μm empfohlen für die Wärmeableitung und Filtration, ≤ 300 μm empfohlen für Elektroden und Implantate.

Oberflächenbehandlung und Beschichtungen

Typische Anwendungen von Titanschaum

Mechanische Eigenschaften von Titanschaum

Titanschaum kombiniert die Vorteile von geringem Gewicht, Anisotropie und knochenähnlicher Elastizität. Seine geringe Dichte bietet ein erhebliches Potenzial zur Gewichtsreduzierung, und die dreidimensionale Struktur, die durch Sintern mit nicht sphärischen Platzhalterpartikeln gebildet wird, kann ein gewisses anisotropes Verhalten aufweisen. Diese Eigenschaften ermöglichen es Titanschaum, die mechanische Festigkeit beizubehalten und gleichzeitig das mechanische Verhalten des menschlichen Knochens besser nachzuahmen, wodurch die Spannungsabschirmung reduziert wird und er sich besonders für medizinische Implantate und energieabsorbierende strukturelle Anwendungen eignet.

Gängige Herstellungsverfahren von Titanschaum

Routen für die Pulvermetallurgie

Dies ist die gebräuchlichste Methode, in der Regel unter Verwendung des Platzhalterverfahrens. Titanpulver wird mit abnehmbaren Platzhalterpartikeln wie NaCl, Harnstoff oder Maniokstärke gemischt, verdichtet und gesintert. Die Porosität wird dann durch Auflösen des Platzhalters erzeugt.

Vorteile: Porosität, Porengröße und Konnektivität sind kontrollierbar und eignen sich für die Serienproduktion verschiedener Titanschaumqualitäten.

Anwendungen: Weit verbreitet für Elektroden, Katalysatorträger und medizinische Implantate, die eine präzise Kontrolle der Porenstruktur erfordern.

Gießen und Infiltrieren

Poröse Strukturen entstehen durch Schmelze- oder Gefriergussverfahren oder durch elektrochemisches Entlegieren, bei dem ein Element selektiv aus einer Legierung gelöst wird, um Poren zu bilden.

Vorteile: Kann anisotrope oder längliche Porenstrukturen mit starker Interkonnektivität erzielen.

Anwendungen: Geeignet für Filtrations- und Wärmeübertragungskomponenten, die einen gerichteten Transport oder spezielle Porenarchitekturen erfordern.

Gasexpansionsmethode

Poröse Strukturen werden durch Gasexpansion bei hohen Temperaturen (z. B. Wasserstoff, Stickstoff) oder superplastische Expansion erzeugt, begleitet von einer α-β-Phasenumwandlung.

Vorteile: Kein Platzhalter erforderlich, relativ gleichmäßige Porosität, einfacherer Prozess.

Anwendungen: Wird hauptsächlich für Forschung und Entwicklung und die Laborproduktion in kleinen Chargen sowie für Proben verwendet, die eine gleichmäßige Porenverteilung erfordern.

FAQ – Häufige Fragen

Welche Vorteile hat Titanschaum gegenüber Nickelschaum?

Titanschaum bietet eine höhere Korrosions- und Temperaturbeständigkeit und ist in der Lage, in starken Säuren, chloridhaltigen Umgebungen und hohen Temperaturen (≤ 600 °C) langfristig stabil zu arbeiten. Sein Elastizitätsmodul liegt nahe am menschlichen Knochen und ist daher für medizinische Implantate geeignet. Obwohl die Kosten etwas höher sind, bietet es insgesamt größere Vorteile in Bezug auf die Lebensdauer der Elektroden, die strukturelle Festigkeit und die Biokompatibilität.

Ist eine höhere Porosität immer besser? Wie wählt man Porosität und Porengröße?

Nicht unbedingt. Eine höhere Porosität erhöht die spezifische Oberfläche und die Gewichtsreduzierung, verringert jedoch die mechanische Festigkeit.

• 60 %: Ausgewogene Festigkeit und Aktivität, geeignet für Elektrodensubstrate.
• 75 %: Hohe Aktivität oder geeignet für das Einwachsen von Knochen in Implantaten.
• 90 %: Maximale spezifische Oberfläche, ideal für Katalysatorträger oder thermische/akustische Isolierung.

Empfehlungen für die Porengröße: ≤ 300 μm für Elektroden/Implantate; ≥ 500 μm für Filtration/Wärmeableitung.

Kann Titanschaum geschweißt oder bearbeitet werden?

Ja. Empfohlen werden Laserschweißen oder Vakuumlöten. Für die Bearbeitung eignen sich Hartmetallwerkzeuge, geringe Schnitttiefen, hohe Spindeldrehzahlen und Druckluftkühlung. Anschließendes Säurebeizen und Passivieren baut Eigenspannungen ab und entfernt Oxidschichten.

Wie hoch ist die Lebensdauer von Pt/Ir-Beschichtungen?

Unter kontinuierlicher Wasserelektrolyse bei 10 A·cm⁻² und 80 °C hat unser Pt-beschichteter Titanschaum einen 10.000-Stunden-Test bestanden. Ir-beschichteter Schaum erreicht in 3 M HCl eine Korrosionsrate von unter 0,02 mm/Jahr. Die tatsächliche Lebensdauer hängt von Stromdichte, Temperatur und Elektrolytzusammensetzung ab.

Was ist die Mindestbestellmenge (MOQ) und die Vorlaufzeit?

• Kostenlose Muster: Bleche ≤ 100 × 100 mm oder Rollen ≤ 100 × 50 mm.
• MOQ: Standardbleche – 5 Stück; Rollen – 1 Rolle; 3D-Gitter – 1 Stück.
• Lieferzeit: Auf Lager 7–10 Tage; kundenspezifisch 3–4 Wochen; mit Beschichtung +1–2 Wochen.