Дигидрид титана

Дигидрид титана (гидрид титана) — бинарное неорганическое соединение титана и водорода. Химическая формула — TiH₂, соотношение атомов водорода и титана 2:1. Молярная масса — 49,9 г/моль, содержание водорода по массе — 4,04 %. Реальный коммерческий продукт несколько нестехиометричен: фактический состав находится в диапазоне TiH_1,8–TiH_1,99.

Физические и химические свойства TiH₂

Дигидрид титана — хрупкий серовато-чёрный металлический порошок. Плотность — 3,75–3,8 г/см³. Обладает парамагнитными свойствами: магнитная восприимчивость составляет 4,58·10⁻⁶. Молярная теплоёмкость — 7,2 Дж/(моль·К).

Порошок химически стоек к воде и большинству разбавленных кислот, негигроскопичен. На воздухе при комнатной температуре поверхность частиц пассивируется тонким оксидным слоем TiO₂, что несколько замедляет последующее высокотемпературное разложение. Кислотостоек к разбавленным растворам.

Параметр	Значение
Молярная масса	49,9 г/моль
Плотность	3,75–3,8 г/см³
Содержание водорода по массе	≥ 3,5 % (по ТУ 14-1-2159-77)
Магнитная восприимчивость	4,58·10−6
Молярная теплоёмкость	7,2 Дж/(моль·К)
Начало разложения (выделение H2)	~300–375 °C (зависит от атмосферы)
Значительное дегидрирование	450–500 °C (инертная атмосфера)
CAS	7704-98-5

Кристаллическая структура

TiH₂ существует в двух модификациях. При температуре ниже ~37–40 °C устойчива тетрагональная фаза (ε, пространственная группа I4/mmm) с параметрами решётки a = b = 3,19 Å, c = 4,24 Å. При нагреве выше этой температуры происходит фазовый переход в кубическую (ГЦК) δ-фазу с параметром решётки a ≈ 4,45 Å. Переход обратим. На практике коммерческий порошок при комнатной температуре находится вблизи границы этого перехода и может содержать обе модификации в зависимости от дисперсности и предыстории.

Получение

Основной промышленный метод — прямое насыщение губчатого или порошкового титана водородом при температуре 300–500 °C и атмосферном давлении. Реакция экзотермична, поглощение водорода быстрое; исходный серебристый металл приобретает серовато-чёрный цвет. Этот метод лежит в основе промышленного ГДГ-процесса (гидрирование-дегидрирование), описанного ниже.

Лабораторный и малотоннажный способ — восстановление диоксида титана гидридом кальция в атмосфере водорода:

TiO₂ + 2 CaH₂ → TiH₂ + 2 CaO + H₂

Термическое разложение: особенности для практики

Поведение TiH₂ при нагреве определяет большинство его промышленных применений, поэтому понимание кинетики разложения принципиально.

Разложение протекает в две стадии. Первая — около 375 °C — переход δ-TiH₂ → TiH_~1,5 с частичным выделением водорода. Вторая — около 500–523 °C — практически полное дегидрирование до металлического β-титана. Температуры существенно зависят от скорости нагрева, дисперсности порошка и атмосферы: в инертном газе (аргон) основное выделение H₂ начинается при ~495 °C; в воздухе оксидный слой сдвигает начало газовыделения в сторону более высоких температур.

Полное дегидрирование до чистого металла требует вакуума или инертной атмосферы; при нагреве на воздухе происходит окисление с образованием Ti₃O и TiO₂. Остаточный водород в титане сохраняется даже при 1100 °C.

Пожаровзрывобезопасность: тонкодисперсный порошок TiH₂ пирофорен. Температура самовоспламенения — около 342 °C. При хранении и переработке необходимо исключить контакт с открытым огнём, искрами и окислителями.

Применение дигидрида титана

Порообразователь для производства пенометаллов

Основное и наиболее крупнотоннажное промышленное применение TiH₂ — вспенивающий агент (blowing agent) при изготовлении пеноалюминия и алюминиевых пенокомпозитов. Температура разложения гидрида хорошо согласована с диапазоном плавления алюминиевых сплавов (650–700 °C при предварительном оксидировании порошка), что позволяет равномерно газифицировать расплав в нужный момент. Типичная дозировка — 0,2–1,5 % по массе. Предварительная термическая обработка порошка в воздухе при 400–550 °C формирует контролируемый оксидный барьер, регулирующий скорость газовыделения и улучшающий однородность пористой структуры.

Производство титанового порошка методом ГДГ

ГДГ-процесс (гидрирование — дегидрирование) — один из ключевых методов получения мелкодисперсного активного порошка титана для порошковой металлургии, ГИП, аддитивного производства и спекания. Принцип: компактный титан гидрируют до TiH₂, после чего хрупкий гидрид легко размалывается до нужной дисперсности (параметры решётки гидрида и металла резко различаются, что создаёт внутренние напряжения и облегчает измельчение). Полученный порошок TiH₂ затем дегидрируют в вакууме — образуется высокоактивный порошок металлического титана с заданным гранулометрическим составом.

Источник чистого водорода и геттер

При термолизе 1 г TiH₂ выделяет около 448 мл H₂ (н.у.) высокой чистоты. Порошок применяют как компактный источник водорода в лабораторных синтезах и герметичных восстановительных атмосферах. В электровакуумных приборах и закрытых вакуумных системах TiH₂ используют как геттер — поглотитель остаточных газов (кислород, азот).

Катализатор гидрирования

Дигидрид титана выступает катализатором или сокатализатором в реакциях гидрирования органических соединений. Активируется при термолизе: выделяющийся атомарный водород и свежеобразованная поверхность металлического титана обеспечивают высокую каталитическую активность.

Активная пайка керамики и металлов

TiH₂ входит в состав паст и смесей для активной пайки: при нагреве разлагается с выделением активного титана, который химически смачивает керамические поверхности (Al₂O₃, нитрид кремния, карбид кремния, стекло), формируя адгезионный переходный слой. Это позволяет соединять керамику с металлами без предварительной металлизации. Связующим компонентом паяльной смеси обычно служит медный или серебряно-медный сплав.

Пиротехника

При пиролизном сгорании TiH₂ даёт яркую белую вспышку. Применяется в специальных пиротехнических составах, в первую очередь там, где требуется интенсивное белое свечение при высокой температуре горения.

Форма поставки и стандарты

Дигидрид титана поставляется в виде порошка по ТУ 14-1-2159-77. Промышленно выпускаются марки с различным максимальным размером частиц: А100 (до 100 мкм), А200 (до 200 мкм), А300 (до 300 мкм), А500 (до 500 мкм), а также более крупная фракция до 280 мкм по базовому ТУ. Чистота TiH₂ — не менее 99,3–99,45 % в зависимости от марки; содержание водорода — не менее 3,5–3,8 %.

Марка	Макс. размер частиц, мкм	TiH2, не менее	H, не менее
А100	100	99,30 %	3,80 %
А200	200	99,35 %	3,75 %
А300	300	99,40 %	3,70 %
А500	500	99,45 %	3,60 %

Порошок упаковывают в герметичную тару, хранят в сухом месте вдали от источников открытого огня и окислителей. По вопросам поставки дигидрида титана в нужной марке и фракции обращайтесь через форму заявки на сайте.

Другие соединения и порошки на основе титана — в разделах карбид титана и нитрид титана.