Om het sterkste metaal op aarde te bepalen , moeten we een aantal basisregels stellen. Om te beginnen zijn er meerdere manieren om de sterkte van een bepaald metaal te meten.

Treksterkte, gemeten in ponden per vierkante inch (psi), weerspiegelt de maximale belasting die een materiaal kan dragen zonder te breken. De vloeigrens meet de hoeveelheid spanning die nodig is om blijvende vervorming te veroorzaken.

Wolfraam heeft de hoogste vloei- en treksterkte van alle zuivere metalen, waardoor het misschien wel het sterkste metaal ter wereld is. En toch is het niet het hardste metaalelement of zelfs het sterkste metaal qua gewicht.

Over puur metaal gesproken:het bepalen van de sterkste metalen roept ook vragen op:moet het sterkste metaal een natuurlijk metaal zijn (niet-gelegeerd metaal) of kan het een legering van meerdere verschillende metalen zijn? Staal wordt beschouwd als de sterkste legering op aarde.

Laten we eens kijken naar enkele van de sterkste metalen op aarde en hun verrassende toepassingen.

1. Wolfraam
2. Staal
3. Osmium
4. Chroom
5. Titanium

Wolfraam

Wolfraam heeft het hoogste smeltpunt (3695 K) en de ultieme treksterkte (142.000 psi) van alle natuurlijke metalen. Wolfraam en zijn legeringen zijn gebruikt om gloeidraden te maken voor gloeilampen en tv-buizen.

Op zichzelf heeft dit zeldzame metaal een 7,5 op de hardheidsschaal van Mohs (diamant is 10), maar de samengestelde wolfraamcarbide is veel harder (9,5) en wordt gebruikt om gereedschappen te maken.

Staal

Staal is een legering van twee elementen:ijzer (metaal) en koolstof (niet-metaal). Staallegeringen variëren in de verhouding tussen ijzer en staal, evenals in de eventuele extra aanwezige metalen. Om bijvoorbeeld roestvrij staal te maken, combineer je staal met chroom. Koolstofstaal bevat een hoger percentage koolstof, waardoor het sterker is dan andere staallegeringen.

Osmium

Osmium is een van de dichtste natuurlijk voorkomende metalen ter wereld. Osmium is echter erg bros en wordt daarom doorgaans spaarzaam gebruikt in legeringen. Osmium vind je in onderdelen van elektrische circuits.

Chroom

Als je kracht als hardheid beschouwt, zou je chroom als het sterkste metaal ter wereld kunnen beschouwen. Met een hardheidsgraad van 8,5 op de schaal van Mohs is chroom het hardste metaal op aarde. Het is ook bestand tegen corrosie, vandaar de populariteit van verchromen.

Titaan

Vernoemd naar de kolossale titanen uit de Griekse mythologie, heeft titanium de hoogste verhouding tussen treksterkte en dichtheid van alle metalen op aarde. Titaniumlegeringen (mengsels van titanium en andere metalen) hebben de hoogste sterkte-gewichtsverhouding van alle metalen ter wereld. Puur titanium is zo sterk als staal, maar 45 procent lichter.

De indrukwekkende sterkte-gewichtsverhouding van titanium heeft ervoor gezorgd dat titaniumlegeringen de beste materialen zijn voor vliegtuigmotoren en -carrosserieën, raketten, raketten - elke toepassing waarbij metalen componenten zo sterk en licht mogelijk moeten zijn. Hoewel het geen bijzonder zeldzaam metaal is, is het duur vanwege de kosten om het te delven en te produceren.

De Airbus A380, het grootste passagiersvliegtuig ter wereld, bevat 77 ton (70 ton) titanium, voornamelijk in de enorme motoren.

Dankzij een metallurgische innovatie in de jaren dertig, het ‘Knox-proces’ genaamd, kwam het commerciële smeden van titanium in de jaren veertig en vijftig op volle gang. De eerste toepassing vond plaats in militaire vliegtuigen en onderzeeërs (zowel Amerikaanse als Russische), en vervolgens in commerciële vliegtuigen in de jaren zestig.

De ontdekking van titanium

Lang geleden in 1791 schepte een amateur-Britse mineraloog en kerkpastor William Gregor wat merkwaardig zwart zand op in een beekje nabij de stad Cornwall. Een deel van het zand was magnetisch, waarvan Gregor vaststelde dat het ijzeroxide was, maar het andere materiaal was een mysterie. Het was zeker weer een oxide, maar niet een die in de boeken van de Royal Geological Society staat.

De Duitse scheikundige Martin Heinrich Klaproth herontdekte het vreemde oxide in 1795 en gaf het zijn mythologische naam:titaniumoxide, naar de goden die in de Griekse mythologie aan de Olympiërs voorafgingen

Hoewel het aan het eind van de 18e eeuw werd ontdekt, werd puur titanium pas in 1910 geïsoleerd van zijn oxide, toen de Amerikaanse chemicus Matthew Hunter, werkzaam voor General Electric, ontdekte hoe hij het zilverachtige metaal onder hoge hitte en druk uit zijn oxide kon verwijderen. in een verzegelde "bom."

Titanium roest niet

Corrosie is een elektrochemisch proces dat de meeste metalen in de loop van de tijd langzaam vernietigt. Wanneer metalen worden blootgesteld aan zuurstof, hetzij in de lucht of onder water, grijpt de zuurstof elektronen op, waardoor zogenaamde metaaloxides ontstaan. Een van de meest voorkomende corrosieve oxiden is ijzeroxide, oftewel roest.

Maar niet alle oxiden stellen het onderliggende metaal bloot aan corrosie. Wanneer titanium in contact komt met zuurstof, vormt het een dunne laag titaniumdioxide (TiO₂ ) op het oppervlak. Deze oxidelaag beschermt het onderliggende titanium feitelijk tegen corrosie veroorzaakt door de meeste zuren, logen, vervuiling en zout water.

De natuurlijke corrosiewerende eigenschappen van titanium maken het niet alleen het ideale materiaal voor vliegtuigen, maar ook voor onderzeese componenten die worden blootgesteld aan zeer corrosief zout water. Scheepsschroeven zijn bijna altijd gemaakt van titanium, net als de interne ballast- en leidingsystemen van het schip, en de hardware aan boord die wordt blootgesteld aan zeewater.

Titanium leeft in lichaamsdelen, van top tot teen

Diezelfde dunne laag titaniumdioxide die titanium tegen corrosie beschermt, maakt het ook tot het veiligste materiaal om in het menselijk lichaam te implanteren. Titanium is volledig 'biocompatibel', wat betekent dat het niet giftig en niet-allergeen is en zelfs kan samensmelten met menselijk weefsel en bot.

Titanium is het chirurgische materiaal bij uitstek voor bot- en gewrichtsimplantaten, schedelplaten, de wortels van tandheelkundige implantaten, pennen voor kunstmatige ogen en oren, hartkleppen, spinale fusies en zelfs urethrale stints. Studies hebben aangetoond dat titaniumimplantaten het immuunsysteem van het lichaam ertoe aanzetten om bot rechtstreeks op het titaniumoppervlak te laten groeien, een proces dat osseo-integratie wordt genoemd.

Andere redenen waarom titanium de beste keuze is voor heupprothesen en pinnen voor gebroken botten is dat titanium de beroemde hoge sterkte-gewichtsverhouding heeft, waardoor implantaten licht van gewicht blijven, en bovendien exact dezelfde elasticiteit vertoont als menselijk bot.

Titaniumschommels in golfclubs en andere sportuitrusting

Toen de prijs van puur titanium eind 20e eeuw daalde, gingen fabrikanten op zoek naar meer commerciële toepassingen voor dit wondermetaal. Dankzij de lichtgewicht sterkte van Titanium is het uitstekend geschikt voor sportartikelen.

De allereerste titanium golfclubs kwamen halverwege de jaren negentig in de winkels terecht, waaronder een gigantische driver uit Callaway, bekend als Great Big Bertha. De clubs waren duur in vergelijking met stalen of houten drivers, maar hun succes bracht andere sportfabrikanten ertoe zich met titanium te gaan bezighouden.

Nu kun je titanium vinden in elk sportuitrusting waarbij gewicht, sterkte en duurzaamheid cruciaal zijn:tennisrackets, lacrossesticks, ski's, fietsframes, honkbalknuppels, wandel- en bergbeklimuitrusting, kampeerspullen en zelfs hoefijzers voor professionele renpaarden.

Witte verf (en cakeglazuur) bevat titanium

Slechts 5 procent van de 6,3 miljoen ton (5,7 miljoen ton) titanium die elk jaar wordt geproduceerd, wordt tot metaal gesmeed. Het overgrote deel wordt omgezet in titaniumdioxide, hetzelfde materiaal dat titanium op natuurlijke wijze beschermt tegen corrosie. Titaandioxide wordt wereldwijd gebruikt als niet-giftig witmakend pigment voor verf, cosmetica, medicijnen en voedsel, inclusief witte cakeglazuur.

Witte verf werd vroeger geverfd met een pigment op loodbasis, maar toen de gezondheidseffecten van lood eenmaal bekend waren, nam titaniumdioxide het over. Het blijkt dat pigmenten op titaniumbasis enkele coole eigenschappen hebben.

Huisschilders kiezen voor witte verven op titaniumbasis omdat deze corrosiewerend zijn en langer meegaan. Titaanoxide is extreem lichtbrekend, waardoor het een natuurlijke schittering krijgt die groter is dan die van diamant en een bijzonder heldere witte tint produceert.

Titaanoxide reflecteert ook infrarood licht. Daarom worden op de buitenkant van zonneobservatoria altijd verf op titaniumbasis gebruikt om infrarood licht te verspreiden dat de beelden vervaagt.

De architect Frank Gehry koos voor titanium om de buitenkant van het prachtige Guggenheim Museum in Bilbao te bekleden, dat is omhuld met 33.000 titaniumpanelen die onder verschillende lichtomstandigheden van kleur en schittering veranderen.

Bronnen

Ed. Jonathan Law en Richard Rennie. Een Dictionary of Chemistry (8 red.). 2020. (10 oktober 2023). https://www.oxfordreference.com/display/10.1093/acref/9780198841227.001.0001/acref-9780198841227

Deziel, Chris. "Wat zijn de top 10 sterkste metalen op aarde?" Wetenschap. 13 maart 2018. (10 oktober 2023). https://sciencing.com/top-10-sterkste-metalen-aarde-2595.html

"Mohs-hardheid." Encyclopedie Britannica. 15 september 2023. (10 oktober 2023). https://www.britannica.com/science/Mohs-hardness

"Treksterkte." Encyclopedie Britannica. 22 september 2023. (10 oktober 2023). https://www.britannica.com/science/tensile-strength.

"wolfraam, W." MatWeb. (10 oktober 2023). https://www.matweb.com/search/datasheet_print.aspx?matguid=41e0851d2f3c417ba69ea0188fa570e3

WebElementen. (10 oktober 2023). https://www.webelements.com/