Титановая пена

Титановая пена (также известная как пористый титан) представляет собой легкий, пористый усовершенствованный металлический материал.

Он изготавливается с помощью порошковой металлургии, спекания на держателе или 3D-печати, с пористостью до 40–90% и размером пор от 100 до 1000 микрон. Такая конструкция значительно снижает вес, сохраняя при этом коррозионную стойкость, высокую прочность и биосовместимость титана.

По сравнению с обычным плотным титаном, титановая пена имеет большую удельную площадь поверхности и модуль упругости, близкий к модулю упругости человеческой кости. Он не только демонстрирует высокую каталитическую эффективность в электродах новой энергии, но и широко применяется в медицинских имплантатах, системах теплообмена и охлаждения, фильтрации и поглощении энергии.

Как профессиональный поставщик титановой пены, мы предлагаем продукцию различных марок, таких как Gr1, Gr2 и Gr23 (ELI), с настраиваемой пористостью, размером пор, размерами и поверхностными покрытиями (Pt, Ir, TiN) в соответствии с требованиями заказчика. Стандартные спецификации складских запасов доступны для быстрой доставки, а также поддерживаются как мелкосерийные выборки, так и крупномасштабные промышленные поставки.

Основные преимущества титанового пенопласта

Чрезвычайно малый вес

Титановая пена имеет плотность всего 0,5–1,0 г/см³ (данные MSE Supplies LLC), по сравнению с 4,5 г/см³ для плотного титана, что позволяет снизить вес более чем на 70%. Эта легкая характеристика значительно снижает вес системы, повышая удельную мощность и общую эффективность в аэрокосмических и портативных устройствах.

Сверхвысокая удельная площадь поверхности

Обладая пористостью 75–95% и размером открытых пор 100–1000 мкм (данные Techintro), титановая пена имеет гораздо большую площадь поверхности, чем твердый титан. Расширенная реактивная поверхность обеспечивает более высокую электрохимическую активность и более высокую эффективность массообмена, что делает его идеальным для электролитических электродов и носителей катализаторов.

Перестраиваемые механические свойства

Регулируя пористость, титановая пена может сбалансировать структурную поддержку и поглощение энергии. Исследования показывают: при 60% пористости прочность на сжатие составляет около 80 МПа и модуль упругости около 2,7 ГПа (данные ACS Publications); при 78% пористости прочность на сжатие составляет около 35 МПа и модуль упругости около 5,3 ГПа (данные Северо-Западного университета). Это демонстрирует его способность гибко подстраивать механические характеристики к различным потребностям применения.

Биосовместимость и снижение экранирования от напряжений

Модуль упругости титановой пены может быть настроен на 0,5–5 ГПа (данные PMC), что близко к диапазону 7–30 ГПа человеческих костей. Это сходство эффективно снижает экранирование от стресса, способствует врастанию кости и васкуляризации, что делает его идеальным материалом для медицинских имплантатов.

Превосходная коррозионная стойкость

Благодаря естественной пассивной оксидной пленке титана титановая пена остается стабильной в хлоридных средах, морской воде и кислых средах (данные Википедии). Это свойство делает его пригодным для длительного использования в суровых химических, электролитических и морских условиях.

Превосходная электро- и теплопроводность

Титановая пена сохраняет присущую титану электро- и теплопроводность. Его 3D-пористая структура обеспечивает более равномерное распределение тока и значительно сниженное термическое сопротивление, повышая как каталитическую эффективность электродов, так и производительность теплообменников и радиаторов.

Виды титановой пены выпускаются от Chalco Titanium

• 

  Титановая пена с открытыми порами

  Особенности: пористость до 40–90%, размер пор 100–1000 мкм, плотность всего 0,5–1,0 г/см³, что обеспечивает значительное снижение веса.

  Применение: Обычно используется в радиаторах, опорах катализаторов, энергопоглощающих конструкциях и фильтрах.

• 

  Титановая пена с закрытыми порами (энергопоглощающего типа)

  Особенности: Закрытая пузырьковая структура с более высоким напряжением плато, обеспечивающая тепло- и звукоизоляцию.

  Применение: Обычно используется в аэрокосмических защитных подушках, автомобильных аварийных балках и материалах для акустического демпфирования.

• 

  Медицинский титановый пенопласт Ti-6Al-4V ELI

  Особенности: Модуль упругости 0,5–5 ГПа, близкий к модулю упругости человеческой кости, с отличной биосовместимостью.

  Применение: Используется для зубных имплантатов, устройств межпозвоночного спондилодеза и имплантатов для восстановления кости.

• 

  Решетчатый титановый пенопласт аддитивного производства (нестандартные структуры)

  Особенности: Сложные конструкции решетки и градиентной пористости, полученные с помощью 3D-печати.

  Применение: Подходит для легких теплообменников, энергопоглощающих компонентов аэрокосмической промышленности и индивидуальных имплантатов.

• 

  Титановая пена с платиновым покрытием (электрокаталитическая марка)

  Особенности: Поверхностное покрытие слоем Pt толщиной 2–5 мкм, повышающее электрохимическую активность и обеспечивающее срок службы более 10 000 часов.

  Применение: В основном используется для электролиза PEM/щелочной воды, электрохлорирования и гальванических анодов.

• 

  Титановая пена с иридиевым покрытием (высокая коррозионная стойкость)

  Особенности: Поверхность, покрытая Ir-слоем толщиной около 1 мкм, стабильна и долговечна в сильных кислотах и средах с высоким содержанием хлоридов.

  Применение: Подходит для электролиза морской воды, агрессивных химических электродов и топливных элементов.

• 

  Войлок из титанового волокна (гибкий пористый титан)

  Особенности: Изготовлен путем спекания тонких титановых проволок, с пористостью 70–80%; Листы гибкие и гибкие.

  Применение: Обычно используется в транспортных слоях электролизеров PEM, газодиффузионных слоях и высокотемпературной фильтрации.

Технические характеристики и варианты кастомизации титанового пенопласта

Марки сплавов

Размерный ряд

Пористость и размер пор

• Пористость: Доступны четыре стандартных уровня: 40%, 60%, 75%, 90%; Настраивается с шагом 5%.
• Размер пор: Непрерывный выбор от 100 μм до 2 мм; ≥ 500 мкм рекомендуется для отвода тепла и фильтрации, ≤ 300 мкм рекомендуется для электродов и имплантатов.

Обработка поверхностей и покрытия

Типичные области применения титанового пенопласта

Водородно-кислородные электроды для электролиза воды

Функции: Покрытия Pt или Ir на подложках из вспененного титана снижают перенапряжение и значительно повышают эффективность электролиза.

Преимущества: Открытая пористость обеспечивает быстрое высвобождение пузырьков; ресурс цикла превышает 10 000 часов; применимо к ПЭМ и щелочным электролизерам.

Медицинские имплантаты и восстановление костей

Функции: Медицинский титановый пенопласт Ti-6Al-4V ELI с взаимосвязанной пористостью и модулем упругости, близким к кости человека (0,5–5 ГПа).

Приложений: Зубные имплантаты, межпозвонковые кейджи для спондилодеза, индивидуальные каркасы костных дефектов; способствует врастанию костей и снижает защиту от стресса.

Теплообменники и светодиодные радиаторы

Функции: Высокая пористость (≥75%) и многоканальные структуры усиливают конвективную и проводящую теплопередачу.

Преимущества: Снижает вес более чем на 50%; применяется в охлаждении аэрокосмической электроники, аккумуляторных блоках электромобилей и мощных светодиодных модулях.

Опоры для фильтрации и катализаторов

Функции: Открытая пористая сетка с отличной коррозионной стойкостью.

Приложений: Каталитическое сжигание летучих органических соединений, фильтрация морской воды, очистка сточных вод, а также химические процессы с длительной стабильной работой.

Поглощение энергии и акустическое демпфирование

Функции: Титановая пена с закрытыми или открытыми порами с напряжением плато на 30–50% выше; Пористая структура обеспечивает двойную защиту.

Приложений: Аэрокосмические и автомобильные аварийные системы, звукоизоляция и теплоизоляционные материалы.

Механические свойства титанового пенопласта

Титановая пена сочетает в себе такие преимущества, как малый вес, анизотропия и эластичность, подобная кости. Его низкая плотность обеспечивает значительный потенциал снижения веса, а трехмерная структура, образованная в результате спекания без сферического пространства, может проявлять определенные анизотропные свойства. Эти особенности позволяют титановой пене сохранять механическую прочность, более точно имитируя механическое поведение человеческой кости, тем самым снижая эффекты экранирования от напряжений, что делает ее особенно подходящей для медицинских имплантатов и энергопоглощающих структурных применений.

Распространенные способы изготовления титанового пенопласта

Маршруты порошковой металлургии

Это наиболее распространенный метод, обычно с использованием техники пробела. Титановый порошок смешивается со съемными частицами, удерживающими пространство, такими как NaCl, мочевина или крахмал маниоки, уплотняется и спекается. Пористость затем создается путем растворения держателя пространства.

Преимущества: Пористость, размер пор и связность контролируются, подходят для серийного производства различных марок титанового пенопласта.

Применение: Широко используется для электродов, опор катализаторов и медицинских имплантатов, требующих точного контроля структуры пор.

Литье и инфильтрация

Пористые структуры создаются с помощью процессов расплавленного или лиофильного литья или электрохимического легирования, селективного растворения элемента из сплава с образованием пор.

Преимущества: Может достигать анизотропных или удлиненных пористых структур с прочной взаимосвязанностью.

Применение: Подходит для компонентов фильтрации и теплообмена, требующих направленной транспортировки или специализированной поровой архитектуры.

Метод расширения газа

Пористые структуры образуются путем газового расширения при высокой температуре (например, водорода, азота) или сверхпластического расширения, сопровождающегося α–β фазовым превращением.

Преимущества: Нет необходимости в держателе пространства, относительно равномерная пористость, более простой процесс.

Применение: В основном используется для исследований и разработок и мелкосерийного лабораторного производства, а также для образцов, требующих равномерного распределения пор.

FAQ – Общие вопросы

Какие преимущества имеет титановая пена перед никелевой?

Титановая пена обладает более высокой коррозионной и температурной стойкостью, способна к длительной стабильной работе в условиях сильных кислот, хлоридных сред и высоких температур (≤ 600 °C). Его модуль упругости близок к человеческим костям, что делает его пригодным для медицинских имплантатов. Несмотря на то, что стоимость немного выше, она обеспечивает большие общие преимущества в отношении срока службы электродов, прочности конструкции и биосовместимости.

Всегда ли более высокая пористость лучше? Как выбрать пористость и размер пор?

Не обязательно. Более высокая пористость увеличивает удельную площадь поверхности и снижает вес, но снижает механическую прочность.

• 60%: Сбалансированная прочность и активность, подходит для электродных подложек.
• 75%: Высокая активность или подходит для врастания кости в имплантатах.
• 90%: Максимальная удельная поверхность, идеально подходит для опор катализатора или тепловой/акустической изоляции.

Рекомендации по размеру пор: ≤ 300 мкм для электродов/имплантатов; ≥ 500 мкм для фильтрации/рассеивания тепла.

Можно ли сваривать или обрабатывать титановую пену?

Да. Рекомендуется лазерная сварка или вакуумная пайка. Обработка может выполняться с помощью твердосплавных инструментов с неглубоким резанием, высокой частотой вращения шпинделя и охлаждением сжатым воздухом. Для удаления остаточных напряжений и оксидных слоев предлагается кислотное травление и пассивация после механической обработки.

Каков срок службы покрытий Pt/IR?

При непрерывном электролизе воды при температуре 10 А·см⁻² и 80 °C наша титановая пена с платиновым покрытием прошла 10 000-часовые испытания. Пена с инфракрасным покрытием поддерживает скорость коррозии < 0.02 mm/y in 3 M HCl. Actual lifespan depends on current density, temperature, and electrolyte composition; accelerated aging curves can be provided per project.

Что такое минимальный объем заказа (MOQ) и время выполнения заказа?

• Бесплатные образцы: листы ≤ 100 × 100 мм или рулоны ≤ 100 × 50 мм.
• MOQ: Стандартные листы – 5 штук; рулоны – 1 рулон; 3D решетки – 1 шт.
• Срок выполнения заказа: В наличии 7–10 дней; таможенный 3–4 недели; с покрытием +1–2 недели.