Titannitrid
|
|
|
|
| Namn | |
|---|---|
|
IUPAC-namn
Titannitrid
|
|
| Andra namn Titan(III)nitrid
|
|
| Identifierare | |
|
3D-modell ( JSmol )
|
|
| ECHA InfoCard | 100.042.819 |
| EG-nummer |
|
|
PubChem CID
|
|
| UNII | |
|
CompTox Dashboard ( EPA )
|
|
|
|
|
|
| Egenskaper | |
| Tenn | |
| Molar massa | 61,874 g/mol |
| Utseende | Beläggning av gyllene färg |
| Odör | Luktfri |
| Densitet | 5,21 g/cm 3 |
| Smältpunkt | 2 947 °C (5 337 °F; 3 220 K) |
| olöslig | |
| +38 x 10-6 emu /mol | |
| Värmeledningsförmåga | 29 W/(m·K) (323 K) |
| Strukturera | |
| Ansiktscentrerad kubik (FCC), cF8 | |
| Fm 3 m, nr 225 | |
|
a = 0,4241 nm
|
|
|
Formelenheter ( Z )
|
4 |
| Oktaedral | |
| Termokemi | |
|
Värmekapacitet ( C )
|
24 J/(K·mol) (500 K) |
|
Std molär entropi ( S ⦵ 298 ) |
−95,7 J/(K·mol) |
|
Std formationsentalpi ( Δ f H ⦵ 298 ) |
−336 kJ/mol |
| Besläktade föreningar | |
|
Relaterad beläggning
|
Titanaluminiumnitrid |
|
Om inte annat anges ges data för material i standardtillstånd (vid 25 °C [77 °F], 100 kPa).
|
|
Titannitrid ( TiN ; ibland känd som Tinite ) är ett extremt hårt keramiskt material som ofta används som en fysisk ångavsättning (PVD) beläggning på titanlegeringar , stål , karbid och aluminiumkomponenter för att förbättra substratets ytegenskaper.
Applicerad som en tunn beläggning används TiN för att härda och skydda skär- och glidytor, för dekorativa ändamål (på grund av dess gyllene utseende) och som ett giftfritt yttre för medicinska implantat . I de flesta applikationer appliceras en beläggning på mindre än 5 mikrometer (0,00020 tum) .
Egenskaper
TiN har en Vickers hårdhet på 1800–2100, en elasticitetsmodul på 251 GPa, en termisk expansionskoefficient på 9,35 × 10 −6 K −1 och en supraledande övergångstemperatur på 5,6 K.
TiN kommer att oxidera vid 800 °C i en normal atmosfär. TiN har en brun färg och ser guldfärgad ut när den appliceras som en beläggning. Den är kemiskt stabil vid 20 °C, enligt laboratorietester, men kan långsamt attackeras av koncentrerade syralösningar med stigande temperatur. Beroende på underlagets material och ytfinish kommer TiN att ha en friktionskoefficient som sträcker sig från 0,4 till 0,9 mot en annan TiN-yta (icke-smord). Den typiska TiN-bildningen har en kristallstruktur av NaCl-typ med en stökiometri på ungefär 1:1 ; TiNx - föreningar med x i intervallet från 0,6 till 1,2 är emellertid termodynamiskt stabila.
TiN blir supraledande vid kryogena temperaturer, med kritisk temperatur upp till 6,0 K för enkristaller. Supraledning i tunnfilm TiN har studerats omfattande, med de supraledande egenskaperna starkt varierande beroende på provberedning, upp till fullständig undertryckning av supraledning vid en supraledare-isolatorövergång . En tunn film av TiN kyldes till nära absolut noll och omvandlade den till den första kända superisolatorn , med motståndet som plötsligt ökade med en faktor på 100 000.
Naturlig förekomst
Osbornit är en mycket sällsynt naturlig form av titannitrid, som nästan uteslutande finns i meteoriter.
Används
En välkänd användning av TiN-beläggning är för kanthållning och korrosionsbeständighet på bearbetningsmaskiner, såsom borrkronor och fräsar , vilket ofta förbättrar deras livslängd med en faktor tre eller mer.
På grund av TiNs metalliska guldfärg används den för att belägga smycken och bilar för dekorativa ändamål. TiN används också i stor utsträckning som en toppskiktsbeläggning, vanligtvis med nickel (Ni) eller krom (Cr) pläterade substrat, på konsument VVS-armaturer och dörrbeslag. Som beläggning används den i flyg- och militära applikationer och för att skydda glidytorna på fjädrande gafflar på cyklar och motorcyklar samt stötaxlar på radiostyrda bilar . TiN används också som en skyddande beläggning på de rörliga delarna av många gevär och halvautomatiska skjutvapen, eftersom det är extremt hållbart. Förutom att den är hållbar är den också extremt smidig, vilket gör det extremt enkelt att ta bort kolansamlingen. TiN är giftfritt, uppfyller FDA:s riktlinjer och har sett användning i medicinsk utrustning som skalpellblad och ortopediska bensågblad där skärpa och egghållning är viktigt. TiN-beläggningar har även använts i implanterade proteser (särskilt höftproteser ) och andra medicinska implantat.
Även om de är mindre synliga, används tunna filmer av TiN också i mikroelektronik , där de fungerar som en ledande förbindelse mellan den aktiva enheten och metallkontakterna som används för att driva kretsen, samtidigt som de fungerar som en diffusionsbarriär för att blockera diffusionen av metallen in i kisel. I detta sammanhang klassificeras TiN som en "barriärmetall" (elektrisk resistivitet ~ 25 µΩ·cm), även om det uppenbarligen är en keramik ur ett kemiperspektiv eller mekaniskt beteende. Nyare chipdesign inom 45 nm-tekniken och längre använder sig också av TiN som en "metall" för förbättrad transistorprestanda . I kombination med gatedielektrikum (t.ex. HfSiO) som har en högre permittivitet jämfört med standard SiO 2 kan gatelängden skalas ner med lågt läckage , högre drivström och samma eller bättre tröskelspänning . Dessutom övervägs TiN-tunna filmer för närvarande för beläggning av zirkoniumlegeringar för olyckstoleranta kärnbränslen. Den används också som en beläggning på vissa kompressionsdrivmembran för att förbättra prestandan.
På grund av sin höga biostabilitet kan TiN-skikt även användas som elektroder i bioelektroniska applikationer som i intelligenta implantat eller in vivo biosensorer som måste motstå den allvarliga korrosion som orsakas av kroppsvätskor . TiN-elektroder har redan använts i subretinala protesprojektet såväl som i biomedicinska mikroelektromekaniska system ( BioMEMS ).
Tillverkning
De vanligaste metoderna för att skapa tunnfilm av TiN är fysisk ångdeposition (PVD, vanligtvis sputterdeposition , katodisk bågdeposition eller elektronstråleuppvärmning ) och kemisk ångdeposition (CVD). I båda metoderna sublimeras rent titan och reageras med kväve i en högenergi-, vakuummiljö . TiN-film kan också framställas på Ti-arbetsstycken genom reaktiv tillväxt (till exempel glödgning ) i en kväveatmosfär . PVD är att föredra för ståldelar eftersom avsättningstemperaturerna överstiger austenitiseringstemperaturen för stål. TiN-skikt sputters också på en mängd olika material med högre smältpunkt som rostfria stål , titan och titanlegeringar . Dess höga Youngs modul (värden mellan 450 och 590 GPa har rapporterats i litteraturen) betyder att tjocka beläggningar tenderar att flagna bort, vilket gör dem mycket mindre hållbara än tunna. Titannitridbeläggningar kan också avsättas genom termisk sprutning medan TiN-pulver framställs genom nitrering av titan med kväve eller ammoniak vid 1200 °C.
Bulk keramiska föremål kan tillverkas genom att packa pulveriserat metalliskt titan i önskad form, komprimera det till rätt densitet och sedan antända det i en atmosfär av rent kväve. Värmen som frigörs av den kemiska reaktionen mellan metallen och gasen är tillräcklig för att sintra nitridreaktionsprodukten till ett hårt, färdigt föremål. Se pulvermetallurgi .
Andra kommersiella varianter
Det finns flera kommersiellt använda varianter av TiN som har utvecklats sedan 2010, såsom titankolnitrid (TiCN), titanaluminiumnitrid (TiAlN eller AlTiN) och titanaluminiumkolnitrid, som kan användas individuellt eller i alternerande lager med TiN . Dessa beläggningar erbjuder liknande eller överlägsna förbättringar i korrosionsbeständighet och hårdhet, och ytterligare färger som sträcker sig från ljusgrå till nästan svart, till mörk, iriserande , blålila, beroende på den exakta appliceringsprocessen. Dessa beläggningar blir vanliga på sportartiklar, särskilt knivar och handeldvapen , där de används av både estetiska och funktionella skäl.
Som beståndsdel i stål
Titannitrid produceras också avsiktligt, inom vissa stål, genom klok tillsats av titan till legeringen . TiN bildas vid mycket höga temperaturer på grund av dess mycket låga bildningsentalpi, och till och med kärnor direkt från smältan vid sekundär ståltillverkning. Den bildar diskreta, mikrometerstora kubiska partiklar vid korngränser och trippelpunkter, och förhindrar korntillväxt genom att Ostwald mognar upp till mycket höga homologa temperaturer . Titannitrid har den lägsta löslighetsprodukten av någon metallnitrid eller karbid i austenit, ett användbart attribut i mikrolegerade stålformler .
| Myndighetskontroll : Nationell |
|---|