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 . В большинстве случаев наносится покрытие толщиной менее 5 микрометров (0,00020 дюйма) .
TiN имеет твердость по Виккерсу 1800–2100, твердость 31±4 ГПа, [5] модуль упругости 550±50 ГПа, [5] коэффициент теплового расширения 9,35 × 10.−6 К −1 и температура сверхпроводящего перехода 5,6 К. [6] [5]
TiN окисляется при температуре 800 °C в обычной атмосфере. TiN имеет коричневый цвет и при нанесении покрытия выглядит золотистым. Согласно лабораторным испытаниям, он химически стабилен при 20 °C, но при повышении температуры может медленно разрушаться концентрированными растворами кислот. [6] В зависимости от материала подложки и качества поверхности, TiN будет иметь коэффициент трения от 0,4 до 0,9 по другой поверхности TiN (несмазанной). Типичное образование TiN имеет кристаллическую структуру типа NaCl со стехиометрией примерно 1:1 ; Однако соединения TiN x с x в диапазоне от 0,6 до 1,2 термодинамически стабильны. [7]
TiN становится сверхпроводящим при криогенных температурах, с критической температурой до 6,0 К для монокристаллов. [8] Сверхпроводимость в тонких пленках TiN широко изучалась, причем сверхпроводящие свойства сильно различаются в зависимости от подготовки образца, вплоть до полного подавления сверхпроводимости при переходе сверхпроводник-изолятор . [9] Тонкая пленка TiN была охлаждена почти до абсолютного нуля , превратив ее в первый известный суперизолятор , сопротивление которого внезапно увеличилось в 100 000 раз. [10]
Осборнит — очень редкая природная форма нитрида титана, встречающаяся почти исключительно в метеоритах. [11] [12]
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. [13]
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 подложками, покрытыми никелем (Ni) или хромом (Cr), на бытовой сантехнике и дверной фурнитуре. В качестве покрытия используется в аэрокосмической и военной промышленности, для защиты скользящих поверхностей вилок подвески велосипедов и мотоциклов , а также амортизаторных 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 лезвия для ортопедических костных пил , где важны острота и удержание кромки. [14] Покрытия TiN также использовались в имплантируемых протезах (особенно в имплантатах для замены тазобедренного сустава ) и других медицинских имплантатах.
Тонкие пленки TiN , хотя и менее заметные, 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» (электрическое сопротивление ~ 25 мкОм·см [2] ), хотя с точки зрения химии или механического поведения он явно является керамикой . 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), которые имеют более высокую диэлектрическую проницаемость по сравнению со стандартным SiO 2 , длину затвора можно уменьшить с низкой утечкой , более высоким током возбуждения и таким же или лучшим пороговым напряжением . [15] Кроме того, в настоящее время рассматриваются тонкие пленки TiN для покрытия циркониевых сплавов для аварийно-устойчивого ядерного топлива. [16] [17] Он также используется в качестве покрытия на некоторых диафрагмах компрессионных динамиков для улучшения характеристик.
Благодаря своей высокой биостабильности слои TiN также могут использоваться в качестве электродов в биоэлектронных приложениях [18], например, в интеллектуальных имплантатах или биосенсорах in vivo , которые должны противостоять серьезной коррозии, вызываемой биологическими жидкостями . Электроды TiN уже применялись в проекте субретинального протеза [19] , а также в биомедицинских микроэлектромеханических системах ( BioMEMS ). [20]
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). [21] В обоих методах чистый титан сублимируется и реагирует 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 . [22] Его высокий модуль Юнга ( в литературе сообщалось о значениях от 450 до 590 ГПа [23] ) означает, что толстые покрытия имеют тенденцию отслаиваться, что делает их гораздо менее долговечными, 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. [6]
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 .
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 обеспечивают аналогичные или превосходящие улучшения коррозионной стойкости и твердости, а также дополнительные цвета 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.
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. Он образует дискретные кубические частицы микрометрового размера 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 формулах микролегированных сталей .