El diboruro de titanio (TiB₂) es un material cerámico de alto rendimiento conocido por su excepcional dureza, su alto punto de fusión, su conductividad eléctrica y su resistencia al desgaste y a la corrosión por metales fundidos. Al combinar las características de la cerámica y los materiales metálicos, es objeto de numerosas investigaciones y se utiliza ampliamente en aplicaciones que requieren una elevada estabilidad térmica, resistencia mecánica y rendimiento eléctrico.
Gracias a su combinación única de propiedades físicas y químicas, el diboruro de titanio se utiliza en cerámicas avanzadas, metalurgia del aluminio, herramientas de corte, recubrimientos resistentes al desgaste y películas delgadas funcionales. También es un material importante para la investigación y el desarrollo en ingeniería de altas temperaturas y aplicaciones electrónicas.
El diboruro de titanio se comercializa en varias formas, entre las que se incluyen polvo, blancos de pulverización catódica y componentes cerámicos sinterizados. La forma adecuada del material depende del proceso de fabricación previsto y de los requisitos de la aplicación.
VIMATERIAL suministra polvo de TiB₂ de alta pureza y blancos de pulverización catódica con diferentes especificaciones. Se ofrecen tamaños de partícula personalizados, dimensiones de los blancos y servicios de unión de los mismos para dar soporte a la producción industrial y a las aplicaciones de investigación.
1. ¿Qué es el diboruro de titanio (TiB₂)?
El diboruro de titanio es un compuesto inorgánico formado por titanio y boro, con la fórmula química TiB₂ y el número CAS 12045-63-5.
Pertenece a la familia de los diboruros de metales de transición y presenta una estructura cristalina hexagonal del tipo AlB₂ (grupo espacial P6/mmm). Su estructura cristalina está formada por capas atómicas alternas de titanio y boro, con un fuerte enlace químico que contribuye a su elevada dureza, estabilidad térmica y propiedades mecánicas.
A diferencia de las cerámicas de óxido convencionales, el TiB₂ presenta conductividad eléctrica metálica. Esta combinación de dureza cerámica y funcionalidad eléctrica lo hace especialmente útil en aplicaciones en las que las cerámicas o los metales convencionales pueden no proporcionar el equilibrio de propiedades requerido.
El diboruro de titanio se suministra generalmente en forma de polvo gris o gris-negro, aunque también puede transformarse en componentes cerámicos densos y blancos de pulverización catódica.
2. Propiedades físicas y químicas del diboruro de titanio
El comportamiento del TiB₂ viene determinado por su estructura cristalina, su composición química, su pureza y su microestructura. Entre sus características más importantes destacan su elevada dureza, su alto punto de fusión, su conductividad eléctrica y su resistencia al desgaste y al ataque de los metales fundidos.
| Propiedad | Valor típico |
|---|---|
| Fórmula química | TiB₂ |
| Número CAS | 12045-63-5 |
| Peso molecular | 69,49 g/mol |
| Estructura cristalina | Hexagonal (tipo AlB₂) |
| Grupo espacial | P6/mmm |
| Densidad | Aproximadamente 4,52 g/cm³ |
| Punto de fusión | Aproximadamente entre 2.900 y 3.225 °C |
| Microdureza | Aproximadamente 25–35 GPa |
| Resistividad eléctrica | Aproximadamente entre 10 y 30 μΩ·cm |
| Aspecto | De gris a gris-negro |
Nota: Estos son valores representativos del material. Las propiedades reales dependen de la composición, la microestructura, la preparación de la muestra y las condiciones de medición.
2.1 Alta dureza y resistencia al desgaste
El diboruro de titanio es uno de los materiales cerámicos más duros que se conocen, con valores de microdureza que, según los datos disponibles, oscilan generalmente entre aproximadamente 25 y 35 GPa.
Su elevada dureza lo hace adecuado para aplicaciones en las que intervienen el desgaste por abrasión, la fricción superficial y el contacto mecánico. Por ello, se utiliza en componentes cerámicos avanzados, herramientas de corte, piezas resistentes al desgaste e investigación sobre recubrimientos protectores.
Cuando se incorporan a compuestos de matriz cerámica o metálica, las partículas de TiB₂ también pueden contribuir a mejorar la dureza y la resistencia al desgaste.
2.2 Alto punto de fusión y estabilidad térmica
El TiB₂ tiene un punto de fusión excepcionalmente alto, lo que lo hace adecuado para aplicaciones en las que se alcanzan temperaturas elevadas.
Su estabilidad térmica resulta especialmente valiosa en materiales refractarios, componentes cerámicos para altas temperaturas y equipos metalúrgicos.
Sin embargo, su comportamiento en entornos de alta temperatura depende de la atmósfera circundante. Puede producirse oxidación cuando el TiB₂ se expone al aire a temperaturas elevadas, por lo que, a la hora de seleccionar el material, deben tenerse en cuenta la temperatura de funcionamiento, el tiempo de exposición y las condiciones de protección.
2.3 Conductividad eléctrica y térmica
A diferencia de muchos materiales cerámicos convencionales, el diboruro de titanio presenta una buena conductividad eléctrica.
Su resistividad eléctrica relativamente baja lo hace útil en cerámicas conductoras, electrodos y determinadas aplicaciones de recubrimientos funcionales.
El TiB₂ también tiene una buena conductividad térmica, lo que permite que el calor se transfiera a través del material. Esta combinación de propiedades eléctricas y térmicas resulta especialmente valiosa en aplicaciones que requieren tanto conductividad como resistencia a altas temperaturas.
2.4 Estabilidad química y resistencia a la corrosión
El diboruro de titanio presenta una buena estabilidad química en diversos entornos y es resistente al ataque del aluminio fundido en condiciones de funcionamiento adecuadas.
Su resistencia a la corrosión por metales fundidos lo convierte en un material importante en la metalurgia del aluminio, especialmente en aplicaciones de cátodos humectables y en equipos utilizados para la manipulación de metales fundidos.
Su estabilidad química también contribuye a su uso en componentes resistentes al desgaste y en compuestos cerámicos especializados.
No obstante, la resistencia a la corrosión depende del medio químico, la temperatura y las condiciones de exposición. Se debe evaluar la compatibilidad para cada aplicación específica.
3. Principales aplicaciones del diboruro de titanio
La combinación de propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas confiere al TiB₂ una amplia gama de posibles aplicaciones industriales.
3.1 Cerámicas avanzadas y materiales compuestos
El diboruro de titanio se utiliza ampliamente como materia prima en la fabricación de cerámicas avanzadas.
Se puede combinar con otros materiales cerámicos, entre ellos el carburo de silicio (SiC), el carburo de titanio (TiC), nitruro de titanio (TiN) y óxido de aluminio (Al₂O₃), para desarrollar materiales compuestos con propiedades mecánicas y térmicas a medida.
Dependiendo de la composición y las condiciones de procesamiento, estos compuestos pueden ofrecer:
- Alta dureza y resistencia al desgaste.
- Mejor rendimiento a altas temperaturas.
- Conductividad eléctrica.
- Mayor resistencia a la corrosión por metal fundido.
- Propiedades mecánicas a medida.
Entre sus aplicaciones típicas se incluyen componentes para altas temperaturas, piezas refractarias, componentes resistentes al desgaste y cerámicas técnicas especializadas.
3.2 Metalurgia del aluminio y cátodos humectables
Una de las áreas de aplicación industrial consolidadas del TiB₂ es la electrólisis del aluminio.
El diboruro de titanio presenta una buena humectabilidad con el aluminio fundido en condiciones de funcionamiento adecuadas, además de conductividad eléctrica y resistencia al ataque del aluminio fundido.
Estas características lo hacen adecuado para recubrimientos de cátodos humectables y componentes utilizados en celdas de reducción de aluminio.
Los materiales a base de TiB₂ pueden ayudar a mejorar las características de funcionamiento de los sistemas de electrólisis del aluminio, incluyendo la extracción del metal y el rendimiento del cátodo.
3.3 Herramientas de corte y componentes resistentes al desgaste
Debido a su elevada dureza y resistencia al desgaste, el TiB₂ se utiliza en el desarrollo de herramientas de corte avanzadas y componentes de ingeniería.
Puede incorporarse a compuestos cerámicos o aplicarse como recubrimiento funcional para mejorar la dureza superficial y la resistencia al desgaste mecánico.
Entre sus posibles aplicaciones se incluyen:
- Herramientas de corte y componentes de mecanizado.
- Matrices de trefilado.
- Matrices de extrusión.
- Boquillas de chorro de arena.
- Componentes de sellado mecánico.
- Piezas industriales resistentes al desgaste.
El rendimiento final depende de la composición del material, del proceso de fabricación y de las condiciones de funcionamiento.
3.4 Cerámicas eléctricas y conductoras
El TiB₂ combina la dureza de la cerámica con la conductividad eléctrica del metal, lo que lo hace útil en aplicaciones de cerámica conductora.
Se utiliza en el desarrollo de componentes conductores, electrodos y conjuntos cerámicos especializados.
Un ejemplo son los compuestos conductores de nitruro de boro (BN), que se utilizan en componentes como las barquillas de evaporación para equipos de recubrimiento de aluminio al vacío.
En estas aplicaciones, el TiB₂ contribuye a la funcionalidad eléctrica del material compuesto.
3.5 Películas finas y recubrimientos superficiales
El diboruro de titanio también puede depositarse en forma de película delgada mediante deposición física de vapor (PVD), incluida la pulverización catódica con magnetrón.
Los blancos de pulverización de TiB₂ constituyen una fuente de material para depositar películas que contienen titanio y boro sobre sustratos.
Dependiendo de las condiciones de deposición y de la composición de la película, estos recubrimientos pueden presentar:
- Alta dureza.
- Resistencia al desgaste.
- Conductividad eléctrica.
- Estabilidad térmica.
- Propiedades funcionales de la superficie.
La investigación sobre películas delgadas a base de TiB₂ abarca los recubrimientos para herramientas de corte, los tratamientos protectores de superficies y las aplicaciones especializadas de recubrimientos electrónicos y funcionales.
4. Polvo de diboruro de titanio frente a blancos de pulverización catódica
El TiB₂ está disponible en diferentes formas de material para adaptarse a los distintos requisitos de fabricación y procesamiento.
Las dos formas comerciales más importantes son el polvo de diboruro de titanio y los blancos de pulverización catódica de diboruro de titanio.
4.1 Polvo de diboruro de titanio
Polvo de TiB₂ se utiliza principalmente como materia prima para la fabricación de cerámica, la preparación de materiales compuestos y procesos industriales especializados.
Su idoneidad para una aplicación concreta depende de varios factores:
- Pureza química.
- Tamaño de las partículas y distribución granulométrica.
- Contenido de oxígeno y otras impurezas.
- Morfología de las partículas.
- Características de dispersión y procesamiento.
Los polvos finos y submicrónicos suelen utilizarse en aplicaciones que requieren microestructuras controladas y granos cerámicos finos. Para otros requisitos de procesamiento de polvos y fabricación de compuestos, pueden seleccionarse grados de polvo de grano más grueso.
VIMATERIAL ofrece polvo de TiB₂ con purezas del 99 % y del 99,5 %; las especificaciones pueden personalizarse para satisfacer los requisitos de aplicaciones concretas.
4.2 Blancos de pulverización de diboruro de titanio
Blancos de pulverización de TiB₂ se utilizan como materiales de partida en los procesos de deposición física de vapor.
Durante la pulverización catódica con magnetrón, los iones energéticos bombardean la superficie del blanco, lo que provoca que se liberen átomos y otras especies pulverizadas y se depositen sobre un sustrato.
Las propiedades de la película delgada resultante dependen de varios factores, entre ellos la composición del blanco, las condiciones de deposición, la temperatura del sustrato, la presión de trabajo y las características de crecimiento de la película.
Entre los aspectos importantes a tener en cuenta a la hora de seleccionar blancos de pulverización de TiB₂ se incluyen:
- La pureza del material.
- Las dimensiones y la geometría del blanco.
- Densidad del blanco y uniformidad microestructural.
- Acabado superficial.
- Compatibilidad con el sistema de pulverización.
- Requisitos de la placa de soporte y de la unión.
VIMATERIAL suministra blancos de pulverización de TiB₂ con una pureza del 99,5 % en formatos redondos y rectangulares.
Se ofrecen dimensiones y formas personalizadas según los planos del cliente y los requisitos de los equipos. También se pueden proporcionar servicios de unión de blancos.
5. Fabricación y procesamiento del diboruro de titanio
El proceso de fabricación del TiB₂ depende de la forma final del material y de las prestaciones requeridas.
La síntesis de polvo y la densificación cerámica son dos etapas importantes en la producción de materiales de diboruro de titanio.
5.1 Síntesis de polvo de TiB₂
Existen varios métodos para sintetizar polvo de diboruro de titanio.
Reducción carbotérmica
La reducción carbotérmica utiliza óxido de titanio, materias primas que contienen boro y carbono como agente reductor. La reacción tiene lugar a temperaturas elevadas y produce polvo de TiB₂.
Se trata de un método importante para la producción de diboruro de titanio a escala industrial.
Síntesis autopropagada a alta temperatura (SHS)
La SHS utiliza el calor liberado por una reacción química exotérmica para mantener el proceso de síntesis.
Este método puede ofrecer tiempos de reacción relativamente cortos y menores necesidades de energía externa, dependiendo del sistema de reacción y de las condiciones de procesamiento.
Reducción borotérmica
La reducción borotérmica consiste en la reacción de compuestos que contienen titanio con boro o materiales que contienen boro para formar TiB₂.
La selección de las condiciones de síntesis y de las materias primas influye en la composición final de la fase, la pureza y las características de las partículas.
5.2 Densificación y sinterización de la cerámica
Tras la síntesis del polvo, el polvo de TiB₂ puede transformarse en componentes cerámicos densos mediante diferentes técnicas de sinterización.
Entre los métodos más habituales se incluyen:
- Prensado en caliente (HP): combina altas temperaturas y presión aplicada para favorecer la densificación.
- Sinterización por plasma de chispa (SPS): utiliza corriente eléctrica pulsada y presión para lograr un calentamiento y una densificación rápidos.
- Sinterización sin presión: utiliza aditivos de sinterización y un procesamiento térmico controlado para favorecer la densificación sin presión externa.
La densidad final, el tamaño de grano y las propiedades mecánicas dependen del polvo de partida, de los aditivos y de las condiciones de sinterización.
5.3 Fabricación de blancos de pulverización catódica
Los blancos de pulverización de TiB₂ se fabrican generalmente mediante técnicas de procesamiento y consolidación de polvos.
El proceso de producción puede incluir la preparación del polvo, el conformado, la sinterización, el mecanizado y la inspección final de calidad.
En el caso de los blancos adheridos, el cuerpo del blanco de TiB₂ se une a una placa de soporte adecuada mediante un proceso de unión apropiado.
La precisión dimensional, la uniformidad del material y la calidad de la unión son factores importantes que influyen en el rendimiento del blanco durante la pulverización catódica.
6. ¿Cómo elegir el material de diboruro de titanio adecuado?
Para seleccionar un tipo adecuado de TiB₂, es necesario conocer la aplicación prevista y las condiciones de procesamiento.
Los siguientes factores pueden servir de guía para la selección del material.
| Factor de selección | Qué hay que tener en cuenta |
|---|---|
| Pureza | Seleccione un grado de pureza en función de la tolerancia a las impurezas y los requisitos de la aplicación. |
| Tamaño de las partículas | Tenga en cuenta el D50, el grado de malla y la distribución granulométrica para aplicaciones en polvo. |
| Composición química | Evalúe la composición de las fases y los elementos de impureza relevantes. |
| Forma del material | Elija entre polvo, blanco de pulverización o componente cerámico en función del proceso de fabricación. |
| Dimensiones del blanco | Adaptar la geometría y las dimensiones del blanco al equipo de deposición. |
| Requisitos de unión | Tenga en cuenta el material de la placa de soporte y las especificaciones de unión cuando sea necesario. |
En el caso de las aplicaciones con polvo, el tamaño de las partículas y la pureza química son especialmente importantes, ya que influyen en el procesamiento del polvo y en las propiedades del material final.
En el caso de las aplicaciones de pulverización catódica, deben tenerse en cuenta la geometría, la densidad, la composición y la calidad de la unión del blanco, además de los requisitos del sistema de deposición.
Indicar la aplicación prevista, la pureza requerida, el tamaño de las partículas o las dimensiones del blanco puede ayudar a determinar las especificaciones más adecuadas.
7. Preguntas frecuentes
1. ¿Cuál es la fórmula química del diboruro de titanio?
La fórmula química del diboruro de titanio es TiB₂. Está compuesto por titanio y boro en una proporción atómica de 1:2.
2. ¿Cuáles son las principales propiedades del TiB₂?
El TiB₂ se caracteriza por su elevada dureza, su alto punto de fusión, su buena conductividad eléctrica y térmica, y su resistencia al desgaste y a la corrosión por metales fundidos.
3. ¿Es el diboruro de titanio conductor de la electricidad?
Sí. A diferencia de muchos materiales cerámicos convencionales, el TiB₂ presenta una conductividad eléctrica metálica. Esto lo hace útil en cerámicas conductoras, electrodos y determinadas aplicaciones de película fina.
4. ¿Para qué se utiliza el polvo de diboruro de titanio?
El polvo de TiB₂ se utiliza en la fabricación de cerámicas avanzadas, compuestos cerámicos, componentes cerámicos conductores, materiales resistentes al desgaste y aplicaciones especializadas a altas temperaturas.
5. ¿Cuál es la diferencia entre el polvo de TiB₂ y los blancos de pulverización de TiB₂?
El polvo de TiB₂ se utiliza principalmente como materia prima para el procesamiento de polvos, la fabricación de cerámica y la preparación de compuestos.
Los blancos de pulverización de TiB₂ son materiales sólidos que se utilizan como fuentes en los procesos de deposición PVD para producir películas finas sobre sustratos.
6. ¿Se pueden personalizar los blancos de pulverización de diboruro de titanio?
Sí. Los blancos de pulverización de TiB₂ pueden fabricarse en diferentes formas y dimensiones, según los requisitos del equipo y del cliente.
VIMATERIAL suministra blancos de TiB₂ redondos y rectangulares y ofrece dimensiones a medida y servicios de unión.
7. ¿Qué grados de pureza hay disponibles para el polvo de TiB₂?
Actualmente, VIMATERIAL ofrece polvo de TiB₂ en grados de pureza del 99 % y del 99,5 %, con especificaciones de tamaño de partícula que incluyen D50 < 1 μm, -200 mesh y -325 mesh.
8. ¿Ofrece VIMATERIAL servicios de unión de blancos de TiB₂?
Sí. VIMATERIAL puede ofrecer servicios de unión para blancos de pulverización de TiB₂. Los requisitos de la placa de soporte y las especificaciones de unión pueden acordarse en función del equipo y la aplicación del cliente.
Referencias
- [1] Munro, R. G. (2000). Propiedades del diboruro de titanio. Revista de Investigación del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, 105(5), 709-720.
- [2] Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST). Diboruro de titanio (TiB₂) – Resumen de propiedades. Portal de datos sobre cerámica del NIST.
- [3] Revisión de las películas delgadas de diboruro de metales de transición. Vacuum, 196 (2022), 110567.
- [4] Padamata, S. K., Singh, K., Haarberg, G. M., et al. (2022). «Cátodo de TiB₂ humectable para la electrólisis del aluminio: una revisión». Journal of Sustainable Metallurgy, 8, 613-624.
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Nuestra gama de productos disponible incluye:
- Pureza del 99 %, D50 < 1 μm.
- Pureza del 99,5 %, malla -200.
- Pureza del 99,5 %, malla -325.
Blancos de pulverización de TiB₂
- Pureza del 99,5 %.
- Configuraciones redondas y rectangulares.
- Dimensiones a medida según planos.
- Servicios de unión de blancos disponibles.
Tanto si necesitas polvo fino de TiB₂ para el procesamiento de cerámicas avanzadas como si necesitas blancos de pulverización catódica a medida para la deposición de películas finas, VIMATERIAL puede satisfacer tus necesidades de suministro de materiales.
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