Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
«TiN» перенаправляется сюда. О химическом элементе см. Олово .
Нитрид титана
Нитрид титана порошковый коричневый
Строение хлорида натрия; Структура нитрида титана аналогична.
Имена
Название ИЮПАК
Нитрид титана
Другие имена
Нитрид титана (III)
Идентификаторы
3D модель ( JSmol )
ECHA InfoCard100,042,819 Отредактируйте это в Викиданных
Номер ЕС
  • 247-117-5
UNII
  • InChI = 1S / N.Ti
  • N # [Ti]
Характеристики
Банка
Молярная масса61,874 г / моль
ВнешностьПокрытие золотистого цвета
ЗапахБез запаха
Плотность5,21 г / см 3 [1]
Температура плавления2 947 ° С (5 337 ° F, 3220 К) [1]
нерастворимый
+38 × 10 - 6 эму / моль
Теплопроводность29 Вт / (м · К) (323 К) [2]
Структура [3]
Кубическая , cF8
Фм 3 м, №225
а  = 0,4241 нм
4
Восьмигранный
Термохимия
24 Дж / (К · моль) (500 К) [2]
-95,7 Дж / (К · моль) [4]
-336 кДж / моль [4]
Родственные соединения
Связанное покрытие
Нитрид титана алюминия
Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
☒N проверить  ( что есть   ?)проверитьY☒N
Ссылки на инфобоксы

Нитрид титана ( TiN ; иногда известный как тинит ) - чрезвычайно твердый керамический материал, часто используемый в качестве покрытия на титановых сплавах , стали , карбиде и алюминиевых компонентах для улучшения поверхностных свойств подложки.

Нанесенный в виде тонкого покрытия, TiN используется для упрочнения и защиты режущих и скользящих поверхностей, в декоративных целях (благодаря своему золотистому виду) и в качестве нетоксичного внешнего покрытия для медицинских имплантатов . В большинстве случаев применяется покрытие толщиной менее 5 микрометров (0,00020 дюйма).

Характеристики [ править ]

TiN , имеет твердость по Виккерсу от 1800-2100, а модуль упругости 251 ГПа, коэффициент теплового расширения 9,35 × 10 - 6  K -1 , и температуру сверхпроводящего перехода 5,6 К. [5] [6]

TiN окисляется при 800 ° C в нормальной атмосфере. TiN имеет коричневый цвет и кажется золотым при нанесении в качестве покрытия. Согласно лабораторным испытаниям, он химически стабилен при 20 ° C, но может медленно разрушаться концентрированными растворами кислоты при повышении температуры. [5] В зависимости от материала подложки и отделки поверхности TiN будет иметь коэффициент трения от 0,4 до 0,9 относительно другой поверхности TiN (без смазки). Типичное образование TiN имеет кристаллическую структуру типа NaCl со стехиометрией примерно 1: 1 ; Однако соединения TiN x с x от 0,6 до 1,2 термодинамически стабильны. [7]

TiN становится сверхпроводящим при криогенных температурах, критическая температура для монокристаллов достигает 6,0 К. [8] Сверхпроводимость в тонкопленочном TiN широко изучена, причем сверхпроводящие свойства сильно варьируются в зависимости от приготовления образца, вплоть до полного подавления сверхпроводимости при переходе сверхпроводник-изолятор . [9] Тонкая пленка TiN была охлаждена почти до абсолютного нуля , что превратило ее в первый известный суперизолятор , сопротивление которого внезапно увеличилось в 100000 раз. [10]

Использует [ редактировать ]

Сверло с покрытием TiN
Покрытие TiCN темно-серого цвета на складном ноже Gerber

Хорошо известно использование покрытия TiN для удержания кромок и устойчивости к коррозии на станках, таких как сверла и фрезы , часто увеличивая их срок службы в три или более раз. [11]

Из-за металлического золотого цвета TiN его используют для покрытия бижутерии и автомобильной отделки в декоративных целях. TiN также широко используется в качестве верхнего слоя покрытия, обычно с подложками, покрытыми никелем (Ni) или хромом (Cr), на бытовой сантехнике и дверной фурнитуре. В качестве покрытия он используется в авиакосмической и военной промышленности и для защиты скользящих поверхностей вилок подвески велосипедов и мотоциклов, а также амортизаторов радиоуправляемых автомобилей.. TiN также используется в качестве защитного покрытия на движущихся частях многих винтовок и полуавтоматического огнестрельного оружия, поскольку он чрезвычайно прочен. Наряду с прочностью, он также чрезвычайно гладкий, что упрощает удаление нагара. TiN нетоксичен, соответствует рекомендациям FDA и был замечен в использовании в медицинских устройствах, таких как лезвия скальпелей и лезвия для ортопедических костных пил, где важны острота и удержание кромок. [12] Покрытия TiN также использовались в имплантированных протезах (особенно 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» (удельное электрическое сопротивление ~ 25 мкОм · см [2] ), хотя с точки зрения химии или механических свойств это явно керамика . В последней конструкции микросхемы по технологии 45 нм и выше также используется TiN в качестве «металла» для улучшенных транзисторов.спектакль. В сочетании с диэлектриками затвора (например, HfSiO), которые имеют более высокую диэлектрическую проницаемость по сравнению со стандартным SiO 2, длину затвора можно уменьшить за счет низкой утечки , более высокого тока возбуждения и того же или лучшего порогового напряжения . [13] Кроме того, тонкие пленки TiN в настоящее время рассматриваются для покрытия циркониевых сплавов для аварийного ядерного топлива . [14] [15]

Благодаря своей высокой биостойкости слои TiN могут также использоваться в качестве электродов в биоэлектронных приложениях [16], например, в интеллектуальных имплантатах или биосенсорах in vivo, которые должны выдерживать сильную коррозию, вызываемую жидкостями организма . Электроды из TiN уже применялись в проекте субретинального протезирования [17], а также в биомедицинских микроэлектромеханических системах ( BioMEMS ). [18]

Изготовление [ править ]

Пуансоны с покрытием из нитрида титана (TiN) с использованием метода катодно-дугового напыления

Наиболее распространенными методами создания тонких пленок TiN являются физическое осаждение из паровой фазы (PVD, обычно напыление , катодно-дуговое напыление или электронно-лучевой нагрев ) и химическое осаждение из паровой фазы (CVD). [19] В обоих методах чистый титан возгоняется 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 является предпочтительным для стальных деталей, потому что температуры осаждения превышают температуру аустенитизации.температура стали. Слои TiN также напыляются на различные материалы с более высокой температурой плавления, такие как нержавеющая сталь , титан и титановые сплавы . [20] Его высокий модуль Юнга (значения от 450 до 590 ГПа описаны в литературе [21] ) означает, что толстые покрытия имеют тенденцию отслаиваться, что делает их гораздо менее прочными, чем тонкие. Покрытия из нитрида титана также можно наносить термическим напылением, тогда как порошки TiN получают путем азотирования титана азотом или аммиаком при 1200 ° C. [5]

Объемные керамические объекты могут быть изготовлены путем упаковки порошкообразного металлического титана в желаемую форму, сжатия его до нужной плотности, а затем зажигания в атмосфере чистого азота. Тепла, выделяемого при химической реакции между металлом и газом, достаточно для спекания продукта реакции нитрида в твердый готовый предмет. См. Порошковую металлургию .

Другие коммерческие варианты [ править ]

Нож с покрытием из оксинитрида титана

Существует несколько коммерчески используемых вариантов TiN, которые были разработаны с 2010 года, такие как нитрид титана-углерода (TiCN), нитрид титана-алюминия (TiAlN или AlTiN) и нитрид титана-алюминия-углерода, которые могут использоваться индивидуально или в чередующихся слоях с TiN. . Эти покрытия предлагают аналогичные или превосходные улучшения коррозионной стойкости и твердости, а также дополнительные цвета от светло-серого до почти черного и до темно- переливающегося голубовато-фиолетового в зависимости от точного процесса нанесения. Эти покрытия становятся обычным явлением на спортивных товарах, особенно на ножах и пистолетах , где они используются как по косметическим, так и по функциональным причинам.

Как компонент в производстве стали [ править ]

Нитрид титана также намеренно производится в некоторых сталях путем разумного добавления титана в сплав . TiN образуется при очень высоких температурах из-за очень низкой энтальпии образования и даже зарождается непосредственно из расплава при вторичном производстве стали. Он образует дискретные кубические частицы микрометрового размера на границах зерен и тройных точках и предотвращает рост зерен за счет созревания Оствальда до очень высоких гомологичных температур . Нитрид титана имеет наименьшее произведение растворимости любого нитрида или карбида металла в аустените, что является полезным свойством микролегированной стали. формулы.

Естественное явление [ править ]

Осборнит - очень редкая природная форма нитрида титана, встречающаяся почти исключительно в метеоритах. [22] [23]

Ссылки [ править ]

  1. ^ а б Хейнс, Уильям М., изд. (2016). CRC Справочник по химии и физике (97-е изд.). CRC Press . п. 4.92. ISBN 9781498754293.
  2. ^ a b c Ленгауэр, В .; Binder, S .; Aigner, K .; Ettmayer, P .; Guillou, A .; Debuigne, J .; Гробот, Г. (1995). «Твердотельные свойства карбонитридов группы IVb». Журнал сплавов и соединений . 217 : 137–147. DOI : 10.1016 / 0925-8388 (94) 01315-9 .
  3. ^ Ленгауэр, Уолтер (1992). «Свойства объемного δ-TiN 1-x, полученного диффузией азота в металлический титан». Журнал сплавов и соединений . 186 (2): 293–307. DOI : 10.1016 / 0925-8388 (92) 90016-3 .
  4. ^ a b Ван, 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. ^ a b c Хью О. Пирсон (1996). Справочник тугоплавких карбидов и нитридов: свойства, характеристики, обработка и применение . Уильям Эндрю. п. 193. ISBN. 978-0-8155-1392-6.
  6. ^ Камень, DS; КБ Йодер; У. Д. Спроул (1991). «Твердость и модуль упругости TiN на основе метода непрерывного вдавливания и новой корреляции». Журнал вакуумной науки и техники А . 9 (4): 2543–2547. Bibcode : 1991JVSTA ... 9.2543S . DOI : 10.1116 / 1.577270 .
  7. ^ Тот, LE (1971). Карбиды и нитриды переходных металлов . Нью-Йорк: Academic Press. ISBN 978-0-12-695950-5.
  8. ^ Spengler, W .; и другие. (1978). «Рамановское рассеяние, сверхпроводимость и фононная плотность состояний стехиометрического и нестехиометрического TiN». Phys. Rev. B . 17 (3): 1095–1101. Bibcode : 1978PhRvB..17.1095S . DOI : 10.1103 / PhysRevB.17.1095 .
  9. ^ Батурина, Т.И.; и другие. (2007). «Локализованная сверхпроводимость в квантово-критической области перехода сверхпроводник-изолятор, вызванного беспорядками, в тонких пленках TiN». Phys. Rev. Lett . 99 (25): 257003. arXiv : 0705.1602 . Bibcode : 2007PhRvL..99y7003B . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.99.257003 . PMID 18233550 . S2CID 518088 .  
  10. ^ «Недавно открытые суперизоляторы обещают преобразовать исследования материалов и дизайн электроники» . PhysOrg.com . 2008-04-07.
  11. ^ «Покрытие из нитрида титана (TiN)» . Surface Solutions Inc., июнь 2014 г.
  12. ^ «Продукты» . IonFusion Surgical . Проверено 25 июня 2009 .
  13. ^ Dziura, Фаддей G .; Бенджамин Бундай; Кейси Смит; Мухаммад М. Хуссейн; Расти Харрис; Сяфан Чжан; Джимми М. Прайс (2008). «Измерение толщины high-k и металлической пленки на боковых стенках FinFET с помощью рефлектометрии». Труды SPIE . Метрология, контроль и управление процессами в микролитографии XXII. 6922 (2): 69220 В. Bibcode : 2008SPIE.6922E..0VD . DOI : 10.1117 / 12.773593 . S2CID 120728898 . 
  14. ^ Мелодии, Matheus A .; да Силва, Фелипе С .; Камара, Осман; Schön, Claudio G .; Sagás, Julio C .; Fontana, Luis C .; Доннелли, Стивен Э .; Гривз, Грэм; Эдмондсон, Филип Д. (декабрь 2018 г.). «Исследование покрытий из TiN с помощью облучения энергичными частицами: подходят ли эти пленки для аварийного топлива?» (PDF) . Журнал ядерных материалов . 512 : 239–245. Bibcode : 2018JNuM..512..239T . DOI : 10.1016 / j.jnucmat.2018.10.013 .
  15. ^ Алат, Эдже; Мотта, Артур Т .; Комсток, Роберт Дж .; Partezana, Jonna M .; Вулф, 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 .
  16. ^ Birkholz, M .; Ehwald, K.-E .; Wolansky, D .; Костина, И .; Баристиран-Кайнак, Ц .; Fröhlich, M .; Beyer, H .; Капп, А .; Лисдат, Ф. (2010). «Коррозионно-стойкие металлические слои из процесса КМОП для биоэлектронных приложений» . Серфинг. Пальто. Technol . 204 (12–13): 2055–2059. DOI : 10.1016 / j.surfcoat.2009.09.075 .
  17. ^ Hämmerle, Хьюго; Кобуч, Карин; Колер, Конрад; Ниш, Вильфрид; Сакс, Гельмут; Стелзле, Мартин (2002). «Биостойкость матриц микрофотодиодов для субретинальной имплантации». Биоматериалы . 23 (3): 797–804. DOI : 10.1016 / S0142-9612 (01) 00185-5 . PMID 11771699 . 
  18. ^ Birkholz, M .; Ehwald, K.-E .; Kulse, P .; Drews, J .; Fröhlich, M .; Haak, U .; Кайнак, М .; Matthus, E .; Schulz, K .; Воланский, Д. (2011). «Ультратонкие TiN-мембраны как технологическая платформа для CMOS-интегрированных устройств MEMS и BioMEMS». Современные функциональные материалы . 21 (9): 1652–1654. DOI : 10.1002 / adfm.201002062 .
  19. ^ "Износостойкие покрытия для промышленных товаров" . Diffusion Alloys Limited. Архивировано из оригинала на 2013-05-19 . Проверено 14 июня 2013 .
  20. ^ «Покрытия» . Coating Services Group, ООО . Проверено 25 июня 2009 .
  21. ^ Abadias, G. (2008). «Напряжение и предпочтительная ориентация в PVD-покрытиях на нитридной основе». Серфинг. Пальто. Technol . 202 (11): 2223–2235. DOI : 10.1016 / j.surfcoat.2007.08.029 .
  22. ^ "Осборнит" . Mindat.org . Гудзоновский институт минералогии . Проверено 29 февраля, 2016 .
  23. ^ "Минеральные данные осборнита" . База данных минералогии . Дэвид Бартелми. 5 сентября 2012 . Проверено 6 октября 2015 года .
  • v
  • т
  • е
Соли и ковалентные производные нитрид- иона
NH 3
N 2 H 4		Он (N 2 ) 11
Ли 3 НBe 3 N 2BNβ-C 3 N 4
г-C 3 N 4
C x N y		№ 2N x O yNF 3Ne
Na 3 NMg 3 N 2AlNSi 3 N 4PN
P 3 N 5		S x N y
SN
S 4 N 4		NCl 3Ar
KCa 3 N 2ScNБанкаVNCrN
Cr 2 N		Mn x N yFe x N yПротивNi 3 NCuNZn 3 N 2GaNGe 3 N 4В качествеSeNBr 3Kr
Руб.Sr 3 N 2YNZrNNbNβ-Mo 2 NTcRURhPdNAg 3 NCdNГостиницаSnSbTeNI 3Xe
CSBa 3 N 2 Hf 3 N 4TaNWNReОперационные системыIrPtAuHg 3 N 2TlNPbBiNПоВRn
ПтRa 3 N 2 RfDbSgBhHsMtDsRgCnNhFlMcLvЦOg
↓
ЛаCeNPrNdВечераСмЕвропаGdNTbDyХоЭТмYbЛу
AcЧтПаООНNpПуЯвляюсьСмBkCfEsFMМкрНетLr