Nitrid titanu | |
__ Ti __ N Krystalová struktura nitridu titanu |
|
Identifikace | |
---|---|
N O CAS | |
Ne o ECHA | 100 042 819 |
Ne o EC | 247-117-5 |
N O RTECS | XR2230000 |
PubChem | 93091 |
ÚSMĚVY |
N # [Ti] , |
InChI |
Std. InChI: InChI = 1S / N.Ti Std. InChIKey: NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N |
Vzhled | zlatá krystalická pevná látka |
Chemické vlastnosti | |
Hrubý vzorec |
N Ti |
Molární hmotnost | 61,874 ± 0,001 g / mol N 22,64%, Ti 77,36%, |
Fyzikální vlastnosti | |
T. fúze | 2930 ° C |
Rozpustnost | Nerozpustný ve vodě |
Objemová hmotnost | 5,24 g · cm -3 |
Jednotky SI a STP, pokud není uvedeno jinak. | |
Nitridu titanu je chemická sloučenina podle vzorce TiN. Jedná se o velmi tvrdou a korozivzdornou ultra- žáruvzdornou keramiku . Běžně se používá jako povlak na slitiny titanu a oceli , karbidy a hliníkové součásti ke zlepšení povrchových vlastností. Nanáší se v tenké vrstvě , obvykle o tloušťce méně než 5 μm , například v klenotnictví kvůli jeho zlaté barvě, na vysoce výkonnou keramiku k ochraně a vytvrzení ostrých povrchů nebo povrchů vystavených třením kvůli jeho mechanickým vlastnostem nebo na lékařské nástroje jako jsou čepele skalpelu a čepele ortopedické kostní pily díky své biokompatibilitě . Může být také použit jako vodivá vrstva a difúzní bariéra v mikroelektronice , jako elektroda v bioelektronických aplikacích a obecněji jako povrchový povlak na lékařských implantátech .
Nitridu titanu má tvrdost podle Vickerse 1800 až 2100, je modul pružnosti o 251 GPa , a koeficient tepelné roztažnosti z 9,35 x 10 -6 K -1 a supravodivý teplota přechodu z 5,6 K . To také má tepelnou vodivost a 29,1 W · m -1 · K -1 , je Hall konstanta 0,67, je magnetická susceptibilita o + 0,8 a elektrický měrný odpor o 20 uQ · cm .
V normální atmosféře, nitrid titanu se oxiduje při teplotě 800 ° C . Laboratorní testy ukazují, že je chemicky stabilní při 20 ° C, ale že na něj může při zvýšené teplotě postupně působit koncentrované kyselé roztoky. Maziva bez koeficient tření mezi dvěma povrchy z nitridu titanu se pohybuje od 0,4 do 0,9 v závislosti na povaze a na konci těchto povrchů.
Nitridu titanu má krystalickou strukturu , která je podobná chloridu sodného , přičemž atomy z titanu vytvoří síť -centered krychlový , atomy dusíku zabírat intersticiální octahedral místa ve struktuře. Stechiometrie materiálu je kolem 1: 1, ale TiN x látkys x mezi 0,6 a 1,2 jsou termodynamicky stabilní.
Na rozdíl od nekovových pevných látek, jako je diamant , karbid boru B 4 Cnebo karbid křemíku SiC, nitrid titanu vykazuje kovové chování. Je to například vodič z elektřiny . Součinitel tepelné z elektrického odporu je pozitivní a jeho magnetické chování je indikován slabou termosetového paramagnetismus .
Monokrystalový nitridu titanu se stane supravodivé pod kritickou teplotu 6,0 K . Supravodivost tenkých vrstev nitridu titanu byl podrobně studován a ukázal, že supravodivé vlastnosti tohoto materiálu se podstatně liší v závislosti na přípravě vzorků. Tenká vrstva nitridu titanu ochlazená téměř na absolutní nulu umožnila pozorovat jeden z prvních supraizolátorů , jehož elektrický odpor se ve srovnání s materiálem při vyšší teplotě najednou znásobil o 100 000.
Teplota tání nitridu titanu je řádově 2930 ° C a kapalina se rozkládá při zahřátí před dosažením bodu varu . Tato pevná látka má dobré tribologické vlastnosti, a proto je zajímavá pro systémy vyžadující dobrou odolnost proti opotřebení . Afinita pro jiné látky je velmi nízká. Nitrid titanu je vysoce odrazivý v infračerveném záření a jeho odrazové spektrum je stejné jako u zlata .
Tím, dopování s amorfním křemíkem , mechanických vlastností změny nitridu titanu radikálně: se stává křehkým a těžší.
Pozoruhodné fyzikální vlastnosti tohoto materiálu jsou vyváženy jeho křehkostí , což vede k jeho použití hlavně jako povlakové fólie.
Nitrid titanu je při teplotě místnosti prakticky chemicky inertní. Ukazuje pouze první známky napadení při teplotách nad 600 ° C ve vzduchu a pouze skutečně oxiduje v atmosféře nasycené kyslíkem O 2nebo oxid uhličitý CO 2více než 1200 ° C . Ve vyhřívané hydroxidu sodného NaOH lázni , disociuje za emise amoniaku NH 3. Je za studena odolný vůči kyselině chlorovodíkové HCl, kyselině sírové H 2 SO 4, S kyselinou dusičnou HNO 3a kyseliny fluorovodíkové HF, jakož i hydroxid sodný, a dokonce i vodní pára H 2 Ozahřátý na 100 ° C , ale je napaden těmito horkými koncentrovanými kyselinami. Zůstává stabilní v přítomnosti roztavených reaktivních kovů.
Nitrid titanu se obvykle vyrábí ve formě mikrometrických filmů , vzácněji ve formě keramiky nebo prášku . Může být vyroben z obou prvků při teplotách nad 1 200 ° C , přičemž se dbá na to, aby se odstranil kyslík ze vzduchu a vodík , což je omezení, které je škodlivé pro průmyslový provoz. Tento přímý proces nitridace titanu je reprezentován následující rovnicí:
2 Ti + N 2 Ti 2 TiN.Druhý způsob výroby nitridu titanu je amonolýza v plynné fázi při teplotách nad 900 ° C . Tento postup snižuje oxidační z titanu přítomného v chloridu titaničitého TiCl 4.od +4 do +3, což umožňuje jeho vazbu v nitridu titanu; elektronu je dána připravilo dusíku na amoniak NH 3. Stejně jako v případě přímé nitridace titanu je opět nutné z reakčního prostředí odstranit kyslík a vodík. Ammonolýzu v plynné fázi lze shrnout pomocí následující rovnice:
4 TiCl 4+ 6 NH 3⟶ 4 TiN + 16 HCl + N 2+ H 2.Přebytek amoniaku produkuje chloridu amonného NH 4 Cl.
Nitridace přímé z titanu je možno provádět v lázni ( roztavená sůl ) ze kyanovodíku ( kyanid draselný KCN / uhličitan draselný K 2 CO 3). Běžnými procesy zde jsou povrchová cementace v kyanidové lázni (proces TIDURAN), vysokotlaká nitridace (proces TIDUNIT) a plazmatická nitridace v atmosféře vodíku a dusíku. Nitridový film má obvykle spojovací vrstvu o tloušťce 10 μm a difúzní vrstvu o tloušťce 50 až 200 μm . Plazmatickou nitridací je možné získat film bez spojovací vrstvy.
Syntéza tenkých vrstev nitridu titanu titanové chlorid TiCl 4a dusík N 2ve vodíkové plazmě je shrnuta následující chemickou rovnicí:
2 TiCl 4+ 4 H 2+ N 2⟶ 2 TiN + 8 HCl .Tenké filmy nitridu titanu, které vykazují polovodičové vlastnosti na oxidu křemičitém SiO 2, lze vytvořit chemickou depozicí par ( CVD ) tetrakis (dimethylamino) titanu (TDMAT) vzorce Ti [N (CH 3 ) 2 ] 4.
Je možné pokrýt kovy a některé polymery tenkými vrstvami nitridu titanu hlavně fyzikálním nanášením par ( PVD ), například rozprašováním . To je v posledně uvedeném případě se bombarduje katodu v titanu o ionty ze vzácného plynu ( argon ), který má za následek, kterým atom titanu a dusíku stříká na substrát. Koncentrace dusíku v atmosféře určuje jeho konečnou koncentraci v uloženém filmu. Je možné získat čistý titan, Ti 2 Na TiN v závislosti na zvoleném obsahu dusíku. Fyzikální vlastnosti získaného materiálu také závisí na jejich stechiometrii : barva inklinuje spíše k hnědé a bronzové barvě, zatímco tvrdost je u superstechiometrických formulací o polovinu nižší.
U ocelových dílů je upřednostňovanou metodou fyzikální depozice par, protože reakční teplota je vyšší než teplota austenitizace oceli. Může být také použit na různé materiály s vyšší teplotou tání , jako je nerezová ocel , titan a slitiny titanu . Jeho vysoký Youngův modul - hodnoty mezi 450 a 590 GPa byly hlášeny v literatuře - znamená, že silné vrstvy mají sklon k odlupování, což je činí méně odolnými než tenké vrstvy.
Získání pevné keramiky z nitridu titanu je obtížnější, protože vysoká kovalence čistého nitridu titanu má za následek sníženou slinovatelnost . To je důvod, proč je třeba se zaměřit na nitrid titanu, se uchýlit k reaktivní prášky a aplikovat významné vnější tlak pro provedení tvarování . Při absenci dostatečného okolního tlaku nebude mít získaná keramika kromě jiných vad teoretickou hustotu. Existuje však proces spočívající v použití extrémně jemného prášku (nazývaného nanoprášek ), který umožňuje vyhnout se použití vysokých tlaků.
Povlaky z nitridu titanu se používají k omezení opotřebení hran a povrchové koroze na řezných nástrojích, jako jsou vrtáky , razníky a frézky , zejména na součástech z rychlořezné oceli nebo ve střelných zbraních , přičemž životnost se může ztrojnásobit nebo dokonce zvýšit. Tyto zlaté povlaky jsou velmi tenké a zřídka přesahují tloušťku 4 μm , přičemž silnější vrstvy mají sklon k praskání. Povlečený kov musí být dostatečně tvrdý , to znamená, že musí mít vysokou pevnost v tlaku, aby děrování neprorazilo povlak.
Nitridu titanu je jak biologicky kompatibilní a biologicky stabilní, a proto se používá na chirurgické nástroje a protéz , včetně implantátů z boku , nebo jako elektrody pro kardiostimulátory . Obecněji se používá v elektrodách pro bioelektronické aplikace, jako jsou inteligentní implantáty nebo biosenzory in vivo, které musí odolávat silné korozi vyvolané tělesnými tekutinami . Elektrody nitridu titanu se již používaly pro vizuální protézy (en) i pro biomedicínské mikroelektromechanické systémy ( Bio-MEMS (en) ).
Díky své netoxičnosti a zlaté barvě se nitrid titanu často používá k zakrytí předmětů každodenní potřeby v těsném kontaktu s tělem nebo jídlem, jako jsou bižuterie, brýle, brýle, náramky, kuchyňské náčiní a dokonce i automobilové příslušenství, pro dekorativní účely účely. Používá se také jako povrchová vrstva, obvykle na povrchy pokovené niklem nebo chromem , na vodovodní upevnění nebo dveřní kování.
Ačkoli jsou při tomto použití méně viditelné, používají se tenké vrstvy nitridu titanu také v mikroelektronice , kde slouží jako vodivá spojení mezi aktivními vrstvami a kovovými kontakty, zatímco hrají roli difúzní bariéry mezi kovem a křemíkem. V této souvislosti je nitrid titanu klasifikován jako „bariérový kov“, i když z chemického hlediska a mechanického chování je to zjevně keramika. Nedávná technologie návrhu čipu 45 nm a nižší také používá nitrid titanu jako „kov“ ke zlepšení výkonu tranzistorů . V kombinaci s vysokými dielektrikami κ, jako je HfSiO, které mají vyšší permitivitu než oxid křemičitý SiO 2 standardně lze délku brány snížit s nízkým únikem, vyšším proudem pohonu a stejným nebo vyšším prahovým napětím.
Nitrid titanu je také předmětem konkrétnějších použití. Například tenké vrstvy nitridu titanu se zkoumají jako povlak slitin zirkonia odolných proti nehodám. Díky tvrdosti, odolnosti proti opotřebení a vysoké disipativní síle nitridu titanu je materiál vhodným pro výrobu ložisek v přesných strojích a rotorech. Jeho nepřilnavé vlastnosti umožňují jeho použití jako ochranného nátěru při vysoké teplotě. Jeho nízký koeficient tření se využívá při jeho použití jako povlaku nápravy v tlumičích nárazů i v průmyslové hydraulice . Jeho velmi vysoká stabilita při vysokých teplotách umožňuje slinování v práškové metalurgii . Může být použit jako přísada pro zvýšení elektrické vodivosti z keramiky ve strojích.
Nitrid titanu nepředstavuje téměř žádné nebezpečí, protože je nehořlavý, inertní a navíc biokompatibilní. Směrnice Evropské unie to nepovažují za nebezpečné, a proto na ně neukládají žádné značení. Považuje se za neznečišťující ve vodě. Prach nitridu titanu jsou (stejně jako u jiných kovů) nebezpečné pro zdraví. Mez tolerance OSHA je 15 mg m −3 .