Нитрид титана
 | |
 | |
| Имена | |
|---|---|
| Название ИЮПАК Нитрид титана | |
| Другие имена Нитрид титана(III) | |
| Идентификаторы | |
3D model ( JSmol ) | |
| ХимическийПаук | |
| Информационная карта ECHA | 100.042.819 |
| Номер ЕС |
|
ПабХим CID | |
| НЕКОТОРЫЙ | |
Панель управления CompTox ( EPA ) | |
| Характеристики | |
| Полагать | |
| Молярная масса | 61.874 g/mol |
| Появление | Коричневый в чистом виде, покрытие золотистого цвета. |
| Запах | Без запаха |
| Плотность | 5,21 г/см 3 [1] |
| Температура плавления | 2947 ° C (5337 ° F; 3220 К) [1] |
| нерастворимый | |
| +38 × 10 −6 emu/mol | |
| Теплопроводность | 29 Вт/(м·К) (323 К) [2] |
| Структура [3] | |
| Гранецентрированный куб (ГЦК), cF8 | |
| Фм 3 м, №225 | |
а = 0,4241 нм | |
Формульные единицы ( Z ) | 4 |
| Октаэдрический | |
| Термохимия | |
Теплоемкость ( С ) | 24 Дж/(К·моль) (500 К) [2] |
Стандартный моляр энтропия ( S ⦵ 298 ) | −95,7 Дж/(К·моль) [4] |
Стандартная энтальпия образование (Δ f H ⦵ 298 ) | −336 кДж/моль [4] |
| Родственные соединения | |
Сопутствующее покрытие | Нитрид титана-алюминия |
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа). | |
Нитрид титана ( TiN ; иногда известный как тинит ) представляет собой чрезвычайно твердый керамический материал, часто используемый в качестве покрытия методом физического осаждения из паровой фазы (PVD) на титановых сплавах , стали , карбидах и алюминиевых компонентах для улучшения свойств поверхности подложки.
Нанесенный в виде тонкого покрытия, TiN используется для упрочнения и защиты режущих и скользящих поверхностей, в декоративных целях (из-за его золотого вида) и в качестве нетоксичного внешнего покрытия для медицинских имплантатов . покрытие толщиной менее 5 микрометров (0,00020 дюйма) . В большинстве случаев наносится [5]
Характеристики
[ редактировать ]TiN имеет твердость по Виккерсу 1800–2100, твердость 31 ± 4 ГПа , [6] модуль упругости 550 ± 50 ГПа , [6] коэффициент теплового расширения 9,35 × 10 −6 К −1 , а температура сверхпроводящего перехода 5,6 К. [7] [6]
TiN окисляется при температуре 800 °C в обычной атмосфере. Согласно лабораторным испытаниям, он химически стабилен при 20 °C, но при повышении температуры может медленно разрушаться концентрированными растворами кислот. [7] TiN имеет коричневый цвет и при нанесении покрытия выглядит золотистым. В зависимости от материала подложки и качества поверхности TiN имеет коэффициент трения от 0,4 до 0,9 по другой поверхности TiN (несмазанной). Типичное образование TiN имеет кристаллическую структуру типа NaCl примерно 1:1 со стехиометрией ; TiN x Однако соединения с x в диапазоне от 0,6 до 1,2 термодинамически стабильны. [8]
TiN становится сверхпроводящим при криогенных температурах, с критической температурой до 6,0 К для монокристаллов. [9] Сверхпроводимость в тонких пленках TiN широко изучена, причем сверхпроводящие свойства сильно варьируются в зависимости от подготовки образца, вплоть до полного подавления сверхпроводимости при переходе сверхпроводник–изолятор . [10] Тонкая пленка TiN была охлаждена почти до абсолютного нуля , превратив ее в первый известный суперизолятор , сопротивление которого внезапно возросло в 100 000 раз. [11]
Естественное явление
[ редактировать ]Осборнит — очень редкая природная форма нитрида титана, встречающаяся почти исключительно в метеоритах. [12] [13]
Использование
[ редактировать ]
Широко известное применение покрытия TiN заключается в сохранении кромки и коррозионной стойкости станков, таких как сверла и фрезы , что часто увеличивает срок их службы в три и более раз. [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 никелированной или хромированной подложкой, на бытовой сантехнике и дверной фурнитуре. В качестве покрытия применяется в аэрокосмической и военной технике, а также для защиты скользящих поверхностей амортизационных вилок велосипедов и мотоциклов , а также ударных валов радиоуправляемых автомобилей . TiN также используется в качестве защитного покрытия на движущихся частях многих винтовок и полуавтоматического огнестрельного оружия, поскольку он чрезвычайно прочен. Он не только долговечен, но и чрезвычайно гладок, что позволяет чрезвычайно легко удалить нагар. TiN нетоксичен, соответствует рекомендациям FDA и нашел применение в медицинских устройствах, таких как лезвия скальпелей и ортопедические лезвия для пил по кости , где важны острота и удержание кромки. [15] Покрытия TiN также использовались в имплантируемых протезах (особенно в имплантатах для замены тазобедренного сустава ) и других медицинских имплантатах.
TiN , хотя и менее заметные, Тонкие пленки также используются в микроэлектронике , где они служат проводящим соединением между активным устройством и металлическими контактами, используемыми для работы схемы, а также действуют как диффузионный барьер, блокирующий диффузию металла в кремний. В этом контексте TiN классифицируется как «барьерный металл» (удельное электросопротивление ~ 25 мкОм·см). [2] ), хотя это явно керамика с точки зрения химии или механического поведения . В последних разработках чипов по технологии 45 нм и выше также используется TiN в качестве «металла» для улучшения характеристик транзисторов . В сочетании с диэлектриками затвора (например, HfSiO 4 ), которые имеют более высокую диэлектрическую проницаемость по сравнению со стандартным SiO 2 , длину затвора можно уменьшить с низкой утечкой , более высоким током возбуждения и тем же или лучшим пороговым напряжением . [16] Кроме того, в настоящее время рассматриваются тонкие пленки TiN для покрытия циркониевых сплавов для аварийно-устойчивого ядерного топлива . [17] [18] Он также используется в качестве покрытия на диафрагмах некоторых компрессионных динамиков для улучшения характеристик.
Благодаря своей высокой биостабильности слои TiN также могут использоваться в качестве электродов в биоэлектронных приложениях. [19] например, в интеллектуальных имплантатах in vivo или биосенсорах , которые должны противостоять серьезной коррозии, вызываемой жидкостями организма . Электроды TiN уже применялись в проекте субретинального протеза. [20] а также в биомедицинских микроэлектромеханических системах ( БиоМЭМС ). [21]
Изготовление
[ редактировать ]
Наиболее распространенными методами создания тонких пленок TiN являются физическое осаждение из паровой фазы (PVD, обычно напыление , катодно-дуговое осаждение или электронно-лучевой нагрев ) и химическое осаждение из паровой фазы (CVD). [22] В обоих методах чистый титан сублимируется и подвергается реакции с азотом в высокоэнергетической вакуумной среде. Пленка TiN также может быть получена на заготовках Ti путем реактивного роста (например, отжига ) в атмосфере азота . PVD предпочтителен для стальных деталей, поскольку температура осаждения превышает температуру аустенитизации стали. Слои TiN также напыляются на различные материалы с более высокой температурой плавления, такие как нержавеющая сталь , титан и титановые сплавы . [23] Его высокий модуль Юнга значения от 450 до 590 ГПа) . ( в литературе описаны [24] ) означает, что толстые покрытия имеют тенденцию отслаиваться, что делает их менее долговечными, чем тонкие. Покрытия из нитрида титана также можно наносить термическим напылением , тогда как порошки TiN получают нитридированием титана азотом или аммиаком при 1200 °С. [7]
Объемные керамические предметы можно изготовить, упаковав порошкообразный металлический титан в желаемую форму, сжимая его до нужной плотности, а затем прожигая в атмосфере чистого азота. Теплоты, выделяемой в результате химической реакции между металлом и газом, достаточно для спекания продукта реакции нитрида в твердое готовое изделие. См. Порошковая металлургия .
Другие коммерческие варианты
[ редактировать ]
Существует несколько коммерчески используемых вариантов TiN, которые были разработаны с 2010 года, такие как карбонитрид титана (TiCN), нитрид титана-алюминия (TiAlN или AlTiN) и нитрид алюминия-титана, которые можно использовать индивидуально или в чередующихся слоях с TiN. . Эти покрытия обладают аналогичными или превосходными улучшениями коррозионной стойкости и твердости, а также дополнительными цветами от светло-серого до почти черного, до темного, переливающегося , голубовато-фиолетового, в зависимости от конкретного процесса нанесения. Эти покрытия становятся все более распространенными на спортивных товарах, особенно на ножах и пистолетах , где они используются как по эстетическим, так и по функциональным причинам.
В качестве компонента стали
[ редактировать ]Нитрид титана также производится намеренно 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. микрометрового размера Он образует дискретные кубические частицы на границах зерен и в тройных точках и предотвращает рост зерен за счет созревания Оствальда до очень высоких гомологичных температур . Нитрид титана имеет самый низкий продукт растворимости среди нитридов или карбидов металлов в аустените, что является полезным свойством в микролегированных сталей формулах .
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Хейнс, Уильям М., изд. (2016). Справочник CRC по химии и физике (97-е изд.). ЦРК Пресс . п. 4.92. ISBN 9781498754293 .
- ^ Перейти обратно: а б с Ленгауэр, В.; Биндер, С.; Айгнер, К.; Эттмайер, П.; Гийу, А.; де Бюинь, Ж.; Гробот, Г. (1995). «Твердотельные свойства карбонитридов группы IV-b». Журнал сплавов и соединений . 217 : 137–147. дои : 10.1016/0925-8388(94)01315-9 .
- ^ Ленгауэр, Вальтер (1992). «Свойства объемного δ-TiN 1-x , полученного диффузией азота в металлический титан». Журнал сплавов и соединений . 186 (2): 293–307. дои : 10.1016/0925-8388(92)90016-3 .
- ^ Перейти обратно: а б Ван, Вэй-Э (1996). «Частичные термодинамические свойства системы Ti-N». Журнал сплавов и соединений . 233 (1–2): 89–95. дои : 10.1016/0925-8388(96)80039-9 .
- ^ «TiN (нитрид титана) – поверхностное покрытие» . Проверено 17 февраля 2024 г.
- ^ Перейти обратно: а б с Стоун, Д.С.; Йодер, КБ; Спроул, В.Д. (1991). «Твердость и модуль упругости TiN на основе метода непрерывного индентирования и новой корреляции» . Журнал вакуумной науки и техники А. 9 (4): 2543–2547. Бибкод : 1991JVSTA...9.2543S . дои : 10.1116/1.577270 .
- ^ Перейти обратно: а б с Пирсон, Хью О., изд. (1996). Справочник тугоплавких карбидов и нитридов: свойства, характеристики, обработка и применение . Уильям Эндрю. п. 193. ИСБН 978-0-8155-1392-6 – через Google Книги.
- ^ Тот, Л.Е. (1971). Карбиды и нитриды переходных металлов . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Академическая пресса. ISBN 978-0-12-695950-5 .
- ^ Шпенглер, В.; и др. (1978). «Комбинационное рассеяние света, сверхпроводимость и фононная плотность состояний стехиометрического и нестехиометрического TiN». Физический обзор B . 17 (3): 1095–1101. Бибкод : 1978PhRvB..17.1095S . дои : 10.1103/PhysRevB.17.1095 .
- ^ Батурина Т.И.; и др. (2007). «Локализованная сверхпроводимость в квантово-критической области беспорядочного перехода сверхпроводник-изолятор в тонких пленках TiN». Письма о физических отзывах . 99 (25): 257003. arXiv : 0705.1602 . Бибкод : 2007PhRvL..99y7003B . doi : 10.1103/PhysRevLett.99.257003 . ПМИД 18233550 . S2CID 518088 .
- ^ «Недавно открытые «суперизоляторы» обещают изменить исследования материалов и дизайн электроники» . PhysOrg.com . 7 апреля 2008 г.
- ^ «Осборнит» . Mindat.org . Гудзоновский институт минералогии . Проверено 29 февраля 2016 г.
- ^ «Сведения о минералах осборнита» . Минералогическая база данных . Дэвид Бартельми. 5 сентября 2012 г. Проверено 6 октября 2015 г.
- ^ «Покрытие из нитрида титана (TiN)» . Поверхностные решения. Июнь 2014.
- ^ «Продукты» . Хирургический метод IonFusion . Проверено 25 июня 2009 г.
- ^ Дзиура, Фаддей Г.; Бандей, Бенджамин; Смит, Кейси; Хусейн, Мухаммед М.; Харрис, Расти; Чжан, Сяфан; Прайс, Джимми М. (2008). «Измерение толщины high- k и металлической пленки на боковых стенках FinFET с помощью скаттерометрии». Труды SPIE . Метрология, контроль и управление процессами микролитографии XXII. 6922 (2): 69220В. Бибкод : 2008SPIE.6922E..0VD . дои : 10.1117/12.773593 . S2CID 120728898 .
- ^ Тьюнс, Матеус А.; да Силва, Фелипе К.; Камара, Осман; Шен, Клаудио Г.; Сагас, Хулио К.; Фонтана, Луис К.; и др. (декабрь 2018 г.). «Исследование покрытий TiN излучением энергетических частиц: подходят ли эти пленки для аварийно-устойчивого топлива?» (PDF) . Журнал ядерных материалов . 512 : 239–245. Бибкод : 2018JNuM..512..239T . дои : 10.1016/j.jnucmat.2018.10.013 .
- ^ Алат, Эдже; Мотта, Артур Т.; Комсток, Роберт Дж.; Партезана, Йонна М.; Вулф, Дуглас Э. (сентябрь 2016 г.). «Многослойные (TiN, TiAlN) керамические покрытия для оболочек ядерного топлива» . Журнал ядерных материалов . 478 : 236–244. Бибкод : 2016JNuM..478..236A . дои : 10.1016/j.jnucmat.2016.05.021 .
- ^ Биркхольц, М.; Эвальд, К.-Э.; Волански, Д.; Костина, И.; Баристиран-Кайнак, К.; Фрелих, М.; и др. (2010). «Коррозионностойкие металлические слои, полученные методом КМОП, для биоэлектронных приложений» . Серфинг. Пальто. Технол . 204 (12–13): 2055–2059. doi : 10.1016/j.surfcoat.2009.09.075 .
- ^ Хаммерле, Хьюго; Кобуч, Карин; Колер, Конрад; Ниш, Вильфрид; Сакс, Хельмут; Стельцле, Мартин (2002). «Биостабильность микрофотодиодных матриц для субретинальной имплантации». Биоматериалы . 23 (3): 797–804. дои : 10.1016/S0142-9612(01)00185-5 . ПМИД 11771699 .
- ^ Биркхольц, М.; Эвальд, К.-Э.; Кульсе, П.; Дрюс, Дж.; Фрелих, М.; Хаак, У.; и др. (2011). «Ультратонкие мембраны TiN как технологическая платформа для КМОП-интегрированных устройств MEMS и BioMEMS» . Передовые функциональные материалы . 21 (9): 1652–1654. дои : 10.1002/adfm.201002062 .
- ^ «Износные покрытия для промышленных изделий» . Диффузионные сплавы. Архивировано из оригинала 19 мая 2013 г. Проверено 14 июня 2013 г.
- ^ «Покрытия» . Группа услуг по нанесению покрытий . Проверено 25 июня 2009 г.
- ^ Абадиас, Г. (2008). «Напряжение и предпочтительная ориентация в PVD-покрытиях на основе нитридов». Серфинг. Пальто. Технол . 202 (11): 2223–2235. doi : 10.1016/j.surfcoat.2007.08.029 .
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|