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氮化钛的性质和用途

2022-07-18 14:54:41

什么是氮化钛

氮化钛(TiN)是一种极硬的陶瓷材料,通常用作钛合金、钢、碳化物和铝部件的涂层,以改善基材的表面性能。

作为一种薄涂层,TiN 用于硬化和保护切割和滑动表面,用于装饰目的(由于其金色外观),以及作为医疗植入物的无毒外部。在大多数应用中,应用小于 5 微米(0.00020 英寸)的涂层。

氮化钛特性

氮化钛的维氏硬度为1800-2100,弹性模量为251 GPa,热膨胀系数为9.35×10-6 K-1,超导转变温度为5.6 K。

氮化钛在正常大气中在 800 °C 时会氧化。氮化钛呈棕色,用作涂层时呈金色。根据实验室测试,它在 20°C 时化学性质稳定,但随着温度的升高,它会被浓酸溶液缓慢侵蚀。根据基材和表面光洁度,氮化钛与另一个氮化钛表面(未润滑)的摩擦系数在 0.4 到 0.9 之间。典型的 TiN 形成具有 NaCl 型晶体结构,化学计量比约为 1:1;然而,x 在 0.6 到 1.2 范围内的 TiNx 化合物是热力学稳定的。

TiN 在低温下变得超导,单晶的临界温度高达 6.0 K。薄膜 TiN 中的超导性已被广泛研究,超导特性因样品制备而异,直至在超导体 - 绝缘体转变处完全抑制超导性。 TiN 薄膜被冷却到接近零,将其转化为DI一个已知的超绝缘体,电阻突然增加了 100,000 倍。

氮化钛应用

TiN涂层钻头

TiN 涂层的一个众所周知的用途是用于机床工具(例如钻头和铣刀)的边缘保持和耐腐蚀性,通常将它们的寿命提高三倍或更多。

由于 TiN 的金属金色,它被用于装饰服装首饰和汽车饰件的涂层。 TiN 也被广泛用作顶层涂层,通常用于镀镍 (Ni) 或镀铬 (Cr) 基材,用于消费卫生设备和门五金。作为一种涂层,它用于航空航天和军事应用,并保护自行车和摩托车的避震叉的滑动表面以及无线电遥控汽车的减震轴。 TiN 也被用作许多步枪和半自动枪支的运动部件的保护涂层,因为它非常耐用。除了耐用之外,它还非常光滑,使清除积碳变得非常容易。 TiN 无毒,符合 FDA 指南,并且已在医疗器械中得到应用,例如手术刀刀片和矫形骨锯片,其中锋利度和边缘保持力很重要。 TiN 涂层也已用于植入假体(尤其是髋关节置换植入物)和其他医疗植入物。

虽然不那么明显,但 TiN 薄膜也用于微电子学,它们充当有源器件和用于操作电路的金属触点之间的导电连接,同时充当扩散屏障以阻止金属扩散到硅。在这种情况下,TiN 被归类为“阻挡金属”(电阻率 ~ 25 µΩ·cm),尽管从化学或机械行为的角度来看,它显然是一种陶瓷。ZUi近采用 45 纳米技术及更高技术的芯片设计也使用 TiN 作为“金属”来提高晶体管性能。结合与标准 SiO2 相比具有更高介电常数的栅极电介质(例如 HfSiO),栅极长度可以按比例缩小,同时具有低泄漏、更高的驱动电流以及相同或更好的阈值电压。此外,目前正在考虑将 TiN 薄膜用于涂覆锆合金以用于耐事故核燃料。

由于其高生物稳定性,TiN 层还可以用作生物电子应用中的电极,如智能植入物或体内生物传感器,这些应用必须承受体液引起的严重腐蚀。 TiN 电极已应用于视网膜下假体项目以及生物医学微机电系统 (BioMEMS)。


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