Нитрид титана - Википедия - Titanium nitride

«TiN» перенаправляется сюда. Для химического элемента см. Банка.
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
Характеристики
Банка
Молярная масса61,874 г / моль
ВнешностьПокрытие золотистого цвета
ЗапахБез запаха
Плотность5,21 г / см3[1]
Температура плавления 2947 ° С (5337 ° F, 3220 К)[1]
нерастворимый
+38×10−6 эму / моль
Теплопроводность29 Вт / (м · К) (323 К)[2]
Структура[3]
Кубический, cF8
FM3м, №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 для материалов приводятся в их стандартное состояние (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
☒N проверять (что проверитьY☒N ?)
Ссылки на инфобоксы

Нитрид титана (Банка; иногда известный как Тинит) чрезвычайно сложный керамика материал, часто используемый в качестве покрытия на титановые сплавы, стали, карбид, и алюминий компоненты для улучшения свойств поверхности подложки.

Наносимый в виде тонкого покрытия, TiN используется для упрочнения и защиты режущих и скользящих поверхностей, в декоративных целях (благодаря своему золотистому виду) и как нетоксичный внешний вид для медицинские имплантаты. В большинстве случаев применяется покрытие размером менее 5 микрометров (0,00020 дюйма).

Характеристики

TiN имеет Твердость по Виккерсу 1800–2100 гг., г. модуль упругости 251 ГПа, а коэффициент теплового расширения из 9,35×10−6 K−1и температура 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 по сравнению с другой поверхностью TiN (без смазки). Типичная формация TiN имеет Кристальная структура из NaCl-типа примерно 1: 1 стехиометрия; БанкаИкс соединения с Икс от 0,6 до 1,2, однако, термодинамически стабильны.[7]

TiN становится сверхпроводящий при криогенных температурах, с критической температурой до 6,0 К. для монокристаллов.[8] Сверхпроводимость в тонкопленочном TiN широко изучена, при этом сверхпроводящие свойства сильно варьируются в зависимости от приготовления образца, вплоть до полного подавления сверхпроводимости на переход сверхпроводник-изолятор.[9] Тонкая пленка TiN была охлаждена почти до абсолютный ноль, превратив его в первую известную суперизолятор, при этом сопротивление внезапно увеличилось в 100000 раз.[10]

Использует

Сверло с покрытием TiN
Покрытие TiCN темно-серого цвета на Гербер карманный нож

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

Из-за металлического золотого цвета TiN его используют для покрытия бижутерия и автомобильная отделка в декоративных целях. TiN также широко используется в качестве покрытия верхнего слоя, обычно с никель (Ni) или хром (Cr) плакированные поверхности на бытовой сантехнике и дверной фурнитуре. В качестве покрытия используется в аэрокосмический и военного применения, а также для защиты скользящих поверхностей приостановка вилки велосипеды и мотоциклы а также валы амортизаторов радиоуправляемые автомобили. TiN не токсичен, соответствует FDA руководящие принципы и видел применение в медицинское оборудование Такие как скальпель лезвия и ортопедические костяная пила лезвия, где важны острота и устойчивость кромки.[12] Покрытия TiN также использовались в имплантированных протезы (особенно замена бедра имплантаты) и другие медицинские имплантаты.

Хотя менее заметен, тонкие пленки TiN также используются в микроэлектроника, где они служат проводящий соединение между активным устройством и металлическими контактами, используемыми для работы схемы, действуя как диффузионный барьер заблокировать распространение металла в кремний. В этом контексте TiN классифицируется как «барьерный металл» (удельное электрическое сопротивление ~ 25 мкОм · см[2]), хотя это явно керамика с точки зрения химия или механическое поведение. В последней конструкции микросхемы по технологии 45 нм и выше также используется TiN в качестве «металла» для улучшения транзистор спектакль. В комбинации с затворные диэлектрики (например, HfSiO) с более высоким диэлектрическая проницаемость по сравнению со стандартным SiO2 длину ворот можно уменьшить с помощью небольшого утечка, более высокий ток привода и такой же или лучший пороговое напряжение.[13] Кроме того, тонкие пленки TiN в настоящее время рассматриваются для покрытия. циркониевые сплавы за аварийно-устойчивое ядерное топливо.[14][15]

Благодаря высокой биостойкости слои TiN могут также использоваться в качестве электродов в биоэлектронные приложения [16] как в умном имплантаты или in vivo биосенсоры которые должны выдерживать сильную коррозию, вызванную телесные жидкости. Электроды из TiN уже применялись в проект субретинального протеза [17] а также в биомедицинских микроэлектромеханических системах (BioMEMS ).[18]

Изготовление

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

Наиболее распространенные методы создания тонкой пленки TiN: физическое осаждение из паровой фазы (PVD, обычно напыление, катодно-дуговое напыление или же электронно-лучевой нагрев ) и химическое осаждение из паровой фазы (CVD).[19] В обоих методах чистый титан сублимированный и реагировал с азотом в высокоэнергетической, вакуум среда. Пленка TiN также может быть получена на заготовках из Ti путем реактивного роста (например, отжиг ) в азот Атмосфера. PVD предпочтительнее для стальных деталей, потому что температуры осаждения превышают аустенизация 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 для младших (значения от 450 до 590 ГПа сообщалось в литературе [21]) означает, что толстые покрытия имеют тенденцию отслаиваться, что делает их менее прочными, чем тонкие. Покрытия из нитрида титана также можно наносить термическое напыление тогда как порошки TiN получают азотированием 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 спекать продукт реакции нитрида в твердое, готовое изделие. Видеть порошковая металлургия.

Другие коммерческие варианты

Нож с покрытием из оксинитрида титана

Существует несколько коммерчески используемых вариантов TiN, которые были разработаны с 2010 года, такие как нитрид углерода титана (TiCN), нитрид титана алюминия (TiAlN или AlTiN) и нитрид титана-алюминия-углерода, которые можно использовать индивидуально или в виде чередующихся слоев 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 темного. радужный голубовато-фиолетовый в зависимости от точного процесса нанесения. Эти покрытия становятся обычным явлением для спортивных товаров, особенно ножи и пистолеты, где они используются как по косметическим, так и по функциональным причинам.

Как компонент в производстве стали

Нитрид титана также преднамеренно производится в некоторых сталях путем разумного добавления титана к сплав. TiN образуется при очень высоких температурах из-за его очень низкой энтальпия образования, и даже зарождается непосредственно из расплава при вторичном производстве стали. Он образует дискретные микрометровые кубический частицы на границы зерен и тройные точки, и предотвращает рост зерна к Оствальдское созревание до очень высокого гомологические температуры. Нитрид титана имеет самую низкую произведение растворимости любого нитрида или карбида металла в аустените, полезный атрибут в микролегированная сталь формулы.

Естественное явление

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

Рекомендации

  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. ^ а б 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. Дои:10.1016/0925-8388(94)01315-9.
  3. ^ Ленгауэр, Уолтер (1992). «Свойства объемного δ-TiN1-х получены диффузией азота в металлический титан ». Журнал сплавов и соединений. 186 (2): 293–307. Дои:10.1016/0925-8388(92)90016-3.
  4. ^ 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.
  5. ^ а б 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. ^ Stone, D. S .; К. Б. Йодер; В. Д. Спроул (1991). «Твердость и модуль упругости TiN на основе техники непрерывного вдавливания и новой корреляции». Журнал вакуумной науки и техники A. 9 (4): 2543–2547. Bibcode:1991JVSTA ... 9.2543S. Дои:10.1116/1.577270.
  7. ^ Тот, Л. (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. Ред. B. 17 (3): 1095–1101. Bibcode:1978ПхРвБ..17.1095С. Дои: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. Дои:10.1103 / PhysRevLett.99.257003. PMID  18233550. S2CID  518088.
  10. ^ «Недавно открытые« суперизоляторы »обещают изменить исследования материалов и дизайн электроники». PhysOrg.com. 2008-04-07.
  11. ^ «Покрытие из нитрида титана (TiN)». Surface Solutions Inc., июнь 2014 г.
  12. ^ "Товары". ИонФьюжн Хирургический. Получено 2009-06-25.
  13. ^ Dziura, Thaddeus 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): 69220В. Bibcode:2008SPIE.6922E..0VD. Дои:10.1117/12.773593. S2CID  120728898.
  14. ^ Мелодии, Матеус А .; 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. Дои: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 оболочки ядерного топлива». Журнал ядерных материалов. 478: 236–244. Bibcode:2016JNuM..478..236A. Дои: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 CMOS для биоэлектронных приложений». Серфинг. Пальто. Technol. 204 (12–13): 2055–2059. Дои:10.1016 / j.surfcoat.2009.09.075.
  17. ^ Hämmerle, Hugo; Кобуч, Карин; Колер, Конрад; Ниш, Вильфрид; Сакс, Гельмут; Стелзле, Мартин (2002). «Биостойкость матриц микрофотодиодов для субретинальной имплантации». Биоматериалы. 23 (3): 797–804. Дои: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. Дои:10.1002 / adfm.201002062.
  19. ^ «Износостойкие покрытия для промышленных товаров». Diffusion Alloys Limited. Архивировано из оригинал на 2013-05-19. Получено 2013-06-14.
  20. ^ «Покрытия». Coating Services Group, ООО. Получено 2009-06-25.
  21. ^ Абадиас, Г. (2008). «Напряжение и предпочтительная ориентация в PVD-покрытиях на нитридной основе». Серфинг. Пальто. Technol. 202 (11): 2223–2235. Дои:10.1016 / j.surfcoat.2007.08.029.
  22. ^ «Осборнит». Mindat.org. Гудзоновский институт минералогии. Получено 29 февраля, 2016.
  23. ^ «Минеральные данные осборнита». База данных минералогии. Дэвид Бартелми. 5 сен.2012. Получено 6 октября, 2015.
Соли и ковалентные производные нитрид ион
NH3
N2ЧАС4		Курицы2)11
Ли3NБыть3N2BNβ-C3N4
g-C3N4
CИксNу		N2NИксОуNF3Ne
Na3NMg3N2AlNSi3N4PN
п3N5		SИксNу
SN
S4N4		NCl3Ar
KCa3N2ScNБанкаVNCrN
Cr2N		MnИксNуFeИксNуПротивNi3NCuNZn3N2GaNGe3N4В качествеSeNBr3Kr
Руб.Sr3N2YNZrNNbNβ-Mo2NTcRURhPdNAg3NCdNГостиницаSnSbTeNI3Xe
CSБа3N2 Hf3N4TaNWNReОперационные системыIrPtAuHg3N2TlNPbBiNПоВRn
ПтРа3N2 RfDbSgBhHsMtDsRgCnNhFlMcLvЦOg
↓
ЛаCeNPrNdВечераСмЕвропаGdNTbDyХоЭТмYbЛу
AcЧтПаООНNpПуЯвляюсьСмBkCfEsFMМкрНетLr