Нитрид титана
Керамический материал
Нитрид титана
Коричневый порошкообразный нитрид титана
Структура хлорида натрия и нитрида титана аналогичны.
Имена
Название ИЮПАК
Нитрид титана
Другие имена
Нитрид титана(III)
Идентификаторы
  • 25583-20-4 проверятьИ
3D модель ( JSmol )
  • Интерактивное изображение
ChemSpider
  • 84040 ☒Н
Информационная карта ECHA100.042.819
Номер ЕС
  • 247-117-5
CID PubChem
  • 93091
УНИИ
  • 6RW464FEFF проверятьИ
  • DTXSID8067109
  • InChI=1S/N.Ti
  • Н#[Ти]
Характеристики
Тин
Молярная масса61,874 г/моль
ПоявлениеКоричневый как чистое твердое вещество, покрытие золотистого цвета
ЗапахБез запаха
Плотность5,21 г/см 3 [1]
Температура плавления2947 °C (5337 °F; 3220 K) [1]
нерастворимый
+38 × 10−6 эме/моль
Теплопроводность29 Вт/(м·К) (323 К) [2]
Структура [3]
Гранецентрированная кубическая (ГЦК), cF8
Fm 3 m, № 225
а  = 0,4241 нм
4
Октаэдрический
Термохимия
24 Дж/(К·моль) (500 К) [2]
−95,7 Дж/(К·моль) [4]
−336 кДж/моль [4]
Родственные соединения
Сопутствующее покрытие
Нитрид титана и алюминия
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа).
☒Н проверить  ( что такое   ?)проверятьИ☒Н
Химическое соединение

Нитрид титана ( TiN ; иногда известный как тинит ) — чрезвычайно твёрдый керамический материал, часто используемый в качестве покрытия, наносимого методом физического осаждения из паровой фазы (PVD) на титановые сплавы , сталь , карбид и алюминиевые компоненты для улучшения свойств поверхности подложки.

Применяемый в качестве тонкого покрытия, TiN используется для упрочнения и защиты режущих и скользящих поверхностей, в декоративных целях (для его золотистого вида), а также в качестве нетоксичного внешнего покрытия для медицинских имплантатов . В большинстве случаев применяется покрытие толщиной менее 5 микрометров (0,00020 дюйма) . [5]

Характеристики

TiN имеет твердость по Виккерсу 1800–2100, твердость31 ± 4 ГПа , [6 ] модуль упругости550 ± 50 ГПа , [6] коэффициент теплового расширения 9,35 × 10−6  К −1 и температура сверхпроводящего перехода 5,6 К. [7] [6]

TiN окисляется при 800 °C в нормальной атмосфере. Он химически стабилен при 20 °C, согласно лабораторным испытаниям, но может медленно подвергаться воздействию концентрированных растворов кислот при повышении температуры. [7] TiN имеет коричневый цвет и выглядит золотым при нанесении в качестве покрытия. В зависимости от материала подложки и отделки поверхности, TiN имеет коэффициент трения от 0,4 до 0,9 по отношению к другой поверхности TiN (несмазанной). Типичное образование TiN имеет кристаллическую структуру типа NaCl со стехиометрией примерно 1:1 ; соединения TiN x с x в диапазоне от 0,6 до 1,2, однако, термодинамически стабильны. [8]

TiN становится сверхпроводящим при криогенных температурах, с критической температурой до 6,0 К для монокристаллов. [9] Сверхпроводимость в тонкопленочном TiN была тщательно изучена, при этом сверхпроводящие свойства сильно различались в зависимости от подготовки образца, вплоть до полного подавления сверхпроводимости при переходе сверхпроводник-изолятор . [10] Тонкая пленка TiN была охлаждена почти до абсолютного нуля , превратившись в первый известный суперизолятор , при этом сопротивление внезапно возросло в 100 000 раз. [11]

Естественное явление

Осборнит — очень редкая природная форма нитрида титана, встречающаяся почти исключительно в метеоритах. [12] [13]

Использует

Широко известное применение покрытия TiN — сохранение режущей кромки и коррозионная стойкость на станках, таких как сверла и фрезы , что часто увеличивает срок их службы в три раза и более. [14]

Из-за металлического золотого цвета TiN этот материал используется для покрытия бижутерии и автомобильной отделки в декоративных целях. TiN также широко используется в качестве верхнего слоя покрытия, обычно с никелированными или хромированными подложками, на сантехнических приборах и дверной фурнитуре. В качестве покрытия он используется в аэрокосмической и военной промышленности и для защиты скользящих поверхностей вилок подвески велосипедов и мотоциклов , а также валов амортизаторов радиоуправляемых автомобилей . TiN также используется в качестве защитного покрытия на движущихся частях многих винтовок и полуавтоматического огнестрельного оружия, поскольку он чрезвычайно долговечен. Помимо того, что он долговечен, он также чрезвычайно гладкий, что делает удаление углеродных отложений чрезвычайно простым. TiN нетоксичен, соответствует рекомендациям FDA [15] и использовался в медицинских приборах, таких как лезвия скальпелей и ортопедические лезвия костных пил , где важны острота и сохранение кромки. [16] Покрытия TiN также использовались в имплантируемых протезах (особенно в имплантатах для замены тазобедренного сустава ) и других медицинских имплантатах.

Хотя они менее заметны, тонкие пленки TiN также используются в микроэлектронике , где они служат проводящим соединением между активным устройством и металлическими контактами, используемыми для работы схемы, одновременно выступая в качестве диффузионного барьера , блокирующего диффузию металла в кремний. В этом контексте TiN классифицируется как «барьерный металл» (электрическое сопротивление ~ 25 мкОм·см [2] ), хотя с точки зрения химии или механического поведения он явно является керамикой . Недавняя разработка чипов в технологии 45 нм и далее также использует TiN в качестве «металла» для улучшения характеристик транзистора . В сочетании с диэлектриками затвора (например, HfSiO4 ) , которые имеют более высокую диэлектрическую проницаемость по сравнению со стандартным SiO2 , длина затвора может быть уменьшена с низкой утечкой , более высоким током возбуждения и таким же или лучшим пороговым напряжением . [17] Кроме того, тонкие пленки TiN в настоящее время рассматриваются для покрытия циркониевых сплавов для устойчивого к авариям ядерного топлива. [18] [19] Он также используется в качестве покрытия на некоторых диафрагмах компрессионных драйверов для улучшения производительности.

Благодаря своей высокой биостабильности слои TiN также могут использоваться в качестве электродов в биоэлектронных приложениях [20], например, в интеллектуальных имплантатах или биосенсорах in vivo , которые должны выдерживать сильную коррозию, вызванную жидкостями организма . Электроды TiN уже применялись в проекте субретинального протезирования [21], а также в биомедицинских микроэлектромеханических системах ( BioMEMS ). [22]

Изготовление

Пуансоны с покрытием TiN методом катодно-дугового осаждения

Наиболее распространенными методами создания тонкой пленки TiN являются физическое осаждение из паровой фазы (PVD, обычно распыление , катодное дуговое осаждение или нагрев электронным лучом ) и химическое осаждение из паровой фазы (CVD). [23] В обоих методах чистый титан сублимируется и реагирует с азотом в высокоэнергетической вакуумной среде. Пленка TiN также может быть получена на заготовках из Ti путем реактивного роста (например, отжига ) в атмосфере азота . PVD предпочтительнее для стальных деталей, поскольку температуры осаждения превышают температуру аустенизации стали. Слои TiN также напыляются на различные материалы с более высокой температурой плавления, такие как нержавеющие стали , титан и титановые сплавы . [24] Его высокий модуль Юнга ( в литературе сообщалось о значениях от 450 до 590  ГПа [25] ) означает, что толстые покрытия имеют тенденцию отслаиваться, что делает их гораздо менее долговечными, чем тонкие. Покрытия из нитрида титана также можно наносить методом термического напыления , тогда как порошки TiN производятся путем азотирования титана азотом или аммиаком при температуре 1200 °C. [7]

Объемные керамические объекты могут быть изготовлены путем упаковки порошкообразного металлического титана в желаемую форму, сжатия его до нужной плотности, а затем прокаливания его в атмосфере чистого азота. Тепла, выделяющегося в результате химической реакции между металлом и газом, достаточно для спекания продукта реакции нитрида в твердое готовое изделие. См. порошковая металлургия .

Другие коммерческие варианты

Нож с покрытием из оксинитрида титана

Существует несколько коммерческих вариантов TiN, которые были разработаны с 2010 года, такие как нитрид титана и алюминия (TiCN), нитрид титана и алюминия (TiAlN или AlTiN) и нитрид титана и алюминия, которые могут использоваться по отдельности или в чередующихся слоях с TiN. Эти покрытия предлагают аналогичные или превосходные улучшения в коррозионной стойкости и твердости, а также дополнительные цвета от светло-серого до почти черного, до темного, переливающегося , голубовато-фиолетового, в зависимости от точного процесса нанесения. Эти покрытия становятся обычными для спортивных товаров, особенно ножей и пистолетов , где они используются как по эстетическим, так и по функциональным причинам.

В качестве компонента стали

Нитрид титана также производится намеренно, в некоторых сталях, путем разумного добавления титана в сплав . TiN образуется при очень высоких температурах из-за его очень низкой энтальпии образования и даже зарождается непосредственно из расплава при вторичном производстве стали. Он образует дискретные, микрометровые кубические частицы на границах зерен и тройных точках и предотвращает рост зерен путем созревания Оствальда до очень высоких гомологических температур . Нитрид титана имеет самый низкий продукт растворимости среди всех нитридов или карбидов металлов в аустените, что является полезным свойством в формулах микролегированной стали .

Ссылки

  1. ^ ab Haynes, William M., ред. (2016). CRC Handbook of Chemistry and Physics (97-е изд.). CRC Press . стр. 4.92. ISBN 9781498754293.
  2. ^ abc Lengauer, W.; Binder, S.; Aigner, K.; Ettmayer, P.; Guillou, A.; de Buigne, J.; Groboth, G. (1995). "Свойства твердого состояния карбонитридов группы IV‑b". Журнал сплавов и соединений . 217 : 137– 147. doi :10.1016/0925-8388(94)01315-9.
  3. ^ Ленгауэр, Вальтер (1992). «Свойства объемного δ-TiN 1−x, полученного путем диффузии азота в металлический титан». Журнал сплавов и соединений . 186 (2): 293– 307. doi :10.1016/0925-8388(92)90016-3.
  4. ^ ab Wang, Wei-E (1996). «Частичные термодинамические свойства системы Ti-N». Журнал сплавов и соединений . 233 ( 1–2 ): 89–95 . doi :10.1016/0925-8388(96)80039-9.
  5. ^ "TiN (нитрид титана) – Поверхностное покрытие" . Получено 2024-02-17 .
  6. ^ abc Stone, DS; Yoder, KB; Sproul, WD (1991). «Твердость и модуль упругости TiN на основе метода непрерывного индентирования и новой корреляции». Журнал вакуумной науки и технологии A. 9 ( 4): 2543– 2547. Bibcode : 1991JVSTA...9.2543S. doi : 10.1116/1.577270 .
  7. ^ abc Пирсон, Хью О., ред. (1996). Справочник по тугоплавким карбидам и нитридам: свойства, характеристики, обработка и применение. Уильям Эндрю. стр. 193. ISBN 978-0-8155-1392-6– через Google Книги.
  8. ^ Toth, LE (1971). Карбиды и нитриды переходных металлов . Нью-Йорк, Нью-Йорк: Academic Press. ISBN 978-0-12-695950-5.
  9. ^ Шпенглер, В. и др. (1978). «Комбинационное рассеяние, сверхпроводимость и плотность фононных состояний стехиометрического и нестехиометрического TiN». Physical Review B. 17 ( 3): 1095–1101 . Bibcode : 1978PhRvB..17.1095S. doi : 10.1103/PhysRevB.17.1095.
  10. ^ Батурина, ТИ и др. (2007). "Локализованная сверхпроводимость в квантово-критической области перехода сверхпроводник-изолятор, вызванного беспорядком, в тонких пленках TiN". Physical Review Letters . 99 (25): 257003. arXiv : 0705.1602 . Bibcode :2007PhRvL..99y7003B. doi :10.1103/PhysRevLett.99.257003. PMID  18233550. S2CID  518088.
  11. ^ «Недавно обнаруженные «суперизоляторы» обещают трансформировать исследования материалов и проектирование электроники». PhysOrg.com . 2008-04-07.
  12. ^ "Осборнит". Mindat.org . Институт минералогии Хадсона . Получено 29 февраля 2016 г. .
  13. ^ "Данные по минералам осборнита". База данных минералогии . Дэвид Бартельми. 5 сентября 2012 г. Получено 6 октября 2015 г.
  14. ^ "Покрытие из нитрида титана (TiN)". Surface Solutions. Июнь 2014.
  15. ^ "Titanium-Nitride Coating Special" (PDF) . Управление по контролю за продуктами и лекарствами . 21 августа 2002 г. . Получено 22 сентября 2024 г. .
  16. ^ Грин, Джулисса (23 февраля 2024 г.). «Обзор нитрида титана: свойства, производство и применение». Мишени для распыления . Получено 22 сентября 2024 г.
  17. ^ Dziura, Thaddeus G.; Bunday, Benjamin; Smith, Casey; Hussain, Muhammad M.; Harris, Rusty; Zhang, Xiafang; Price, Jimmy M. (2008). "Измерение толщины high- k и металлической пленки на боковых стенках FinFET с помощью рефлектометрии". Труды SPIE . Метрология, инспекция и контроль процессов для микролитографии XXII. 6922 (2): 69220V. Bibcode : 2008SPIE.6922E..0VD. doi : 10.1117/12.773593. S2CID  120728898.
  18. ^ Tunes, Matheus A.; da Silva, Felipe C.; Camara, Osmane; Schön, Claudio G.; Sagás, Julio C.; Fontana, Luis C.; et al. (декабрь 2018 г.). «Исследование облучения покрытий TiN энергетическими частицами: подходят ли эти пленки для аварийно-устойчивого топлива?» (PDF) . Journal of Nuclear Materials . 512 : 239–245 . Bibcode : 2018JNuM..512..239T. doi : 10.1016/j.jnucmat.2018.10.013.
  19. ^ Алат, Эдже; Мотта, Артур Т.; Комсток, Роберт Дж.; Партезана, Джонна М.; Вольфе, Дуглас Э. (сентябрь 2016 г.). «Многослойные (TiN, TiAlN) керамические покрытия для оболочек ядерного топлива». Журнал ядерных материалов . 478 : 236–244 . Bibcode : 2016JNuM..478..236A. doi : 10.1016/j.jnucmat.2016.05.021 .
  20. ^ Биркхольц, М.; Эхвальд, К.-Э.; Волански, Д.; Костина, И.; Баристиран-Кайнак, К.; Фрёлих, М.; и др. (2010). «Коррозионно-стойкие металлические слои из процесса КМОП для биоэлектронных приложений». Surf. Coat. Technol . 204 ( 12– 13): 2055– 2059. doi :10.1016/j.surfcoat.2009.09.075.
  21. ^ Хеммерле, Хьюго; Кобуч, Карин; Колер, Конрад; Ниш, Вильфрид; Сакс, Хельмут; Стельцле, Мартин (2002). «Биостабильность микрофотодиодных матриц для субретинальной имплантации». Биоматериалы . 23 (3): 797–804 . doi :10.1016/S0142-9612(01)00185-5. ПМИД  11771699.
  22. ^ Биркхольц, М.; Эвальд, К.-Э.; Кулсе, П.; Дрюс, Дж.; Фрёлих, М.; Хаак, У.; и др. (2011). «Ультратонкие мембраны TiN как технологическая платформа для интегрированных в КМОП устройств MEMS и BioMEMS». Advanced Functional Materials . 21 (9): 1652– 1654. doi : 10.1002/adfm.201002062 .
  23. ^ "Износостойкие покрытия для промышленных изделий". Диффузионные сплавы. Архивировано из оригинала 2013-05-19 . Получено 2013-06-14 .
  24. ^ "Покрытия". Coating Services Group . Получено 25.06.2009 .
  25. ^ Абадиас, Г. (2008). «Напряжение и предпочтительная ориентация в покрытиях PVD на основе нитрида». Surf. Coat. Technol . 202 (11): 2223– 2235. doi :10.1016/j.surfcoat.2007.08.029.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Нитрид_титана&oldid=1247078328"