stringtranslate.com

Нитрид титана

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) .

Характеристики

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]

Естественное явление

Осборнит — очень редкая природная форма нитрида титана, встречающаяся почти исключительно в метеоритах. [11] [12]

Использование

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]

Изготовление

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

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 .

Другие коммерческие варианты

Нож с покрытием из оксинитрида титана.

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.

В качестве компонента стали

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 .

Рекомендации

  1. ^ аб Хейнс, Уильям М., изд. (2016). Справочник CRC по химии и физике (97-е изд.). ЦРК Пресс . п. 4.92. ISBN 9781498754293.
  2. ^ abc 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.
  3. ^ Ленгауэр, Уолтер (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.
  4. ^ Аб 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. ^ abc Stone, DS; 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 .
  6. ^ abc 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.
  7. ^ Тот, LE (1971). Карбиды и нитриды переходных металлов . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Academic Press. ISBN 978-0-12-695950-5.
  8. ^ Шпенглер, В.; и другие. (1978). «Комбинационное рассеяние света, сверхпроводимость и фононная плотность состояний стехиометрического и нестехиометрического TiN». Физический обзор B . 17 (3): 1095–1101. Бибкод : 1978PhRvB..17.1095S. doi : 10.1103/PhysRevB.17.1095.
  9. ^ Батурина, Т.И.; и другие. (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. PMID  18233550. S2CID  518088.
  10. ^ «Недавно обнаруженные« суперизоляторы » обещают изменить исследования материалов и дизайн электроники» . PhysOrg.com . 7 апреля 2008 г.
  11. ^ "Осборнит". Mindat.org . Гудзоновский институт минералогии . Проверено 29 февраля 2016 г.
  12. ^ "Данные о минералах осборнита" . Минералогическая база данных . Дэвид Бартельми. 5 сентября 2012 г. Проверено 6 октября 2015 г.
  13. ^ «Покрытие из нитрида титана (TiN)» . Поверхностные решения. Июнь 2014.
  14. ^ «Продукты». Хирургический метод IonFusion . Проверено 25 июня 2009 г.
  15. ^ Дзиура, Таддей 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.
  16. ^ Мелодии, Матеус А.; да Силва, Фелипе К.; Камара, Осман; Шен, Клаудио Г.; Сагас, Хулио К.; Фонтана, Луис К.; и другие. (декабрь 2018 г.). «Исследование покрытий TiN с помощью облучения энергетическими частицами: подходят ли эти пленки для аварийно-устойчивого топлива?» (PDF) . Журнал ядерных материалов . 512 : 239–245. Бибкод : 2018JNuM..512..239T. doi :10.1016/j.jnucmat.2018.10.013.
  17. ^ 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 .
  18. ^ Биркхольц, М.; Эвальд, К.-Э.; Волански, Д.; Костина, И.; Баристиран-Кайнак, К.; Фрелих, М.; и другие. (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.
  19. ^ Хеммерле, 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.
  20. ^ Биркхольц, М.; Эвальд, К.-Э.; Кульсе, П.; Дрюс, Дж.; Фрелих, М.; Хаак, У.; и другие. (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 .
  21. ^ «Износные покрытия для промышленных изделий». Диффузионные сплавы. Архивировано из оригинала 19 мая 2013 г. Проверено 14 июня 2013 г.
  22. ^ «Покрытия». Группа услуг по нанесению покрытий . Проверено 25 июня 2009 г.
  23. ^ 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.