Propiedades y aplicaciones del nitruro de titanio
La película de nitruro de titanio (TiN) es un importante material de revestimiento de película dura, pero también el primer material de revestimiento de película industrializado y ampliamente utilizado.La película de TiN tiene un alto punto de fusión, alta dureza, estabilidad química a altas temperaturas y una excelente conductividad térmica, conductividad eléctrica, propiedades ópticas, biocompatibilidad, etc., y es aplicable a una gran variedad de campos, como los revestimientos de vidrio a alta temperatura, resistentes al desgaste y de baja radiación, y la ciencia médica, etc. Y debido a su color y brillo únicos, se utiliza a menudo como revestimiento de oro en la industria de la joyería. Debido a su color y brillo únicos, se utiliza a menudo como revestimiento de oro en la industria de la joyería.La amplia aplicación de la película de TiN plantea mayores exigencias en cuanto a la calidad de la película, y la preparación de una película de TiN con mayor dureza, mayor resistencia al desgaste y mejor fuerza de adherencia se ha convertido en un punto caliente de la investigación sobre revestimientos duros dentro y fuera del país.
Propiedades del nitruro de titanio
Ti y N pueden formar una variedad de soluciones sólidas y compuestos, compuestos Ti-N comunes tienen Ti2N y TiN dos, el titanio metálico (Ti) en la fase intersticial es una fila densa de matriz de puntos hexagonal o cara centrada disposición de matriz de puntos cúbicos, átomos de nitrógeno no metálicos (N) llenan la posición intersticial en los cristales de Ti. estructura Ti2N, los átomos de Ti metálicos están dispuestos en filas densas de línea de puntos hexagonal, y los átomos de N en la posición intersticial en el mismo. En la estructura Ti2N, los átomos de Ti metálico están dispuestos en una densa matriz de puntos hexagonal, y los átomos de N se encuentran en sus posiciones intersticiales; en la estructura TiN, los átomos de Ti metálico están dispuestos en una matriz de puntos cúbica centrada en la cara, y los átomos de N se encuentran en sus posiciones intersticiales en el octaedro, que forma la estructura típica B1-NaCl como se muestra en la figura.
Propiedades físicas:
- Color: el nitruro de titanio tiene un aspecto amarillo dorado y suele utilizarse para revestimientos decorativos por su color.
- Dureza: TiN tiene una alta dureza, la dureza Vickers puede alcanzar 2000-2500 HV, la microdureza es de unos 21GPa, con una excelente resistencia al desgaste.
- Punto de fusión: el nitruro de titanio tiene un punto de fusión de hasta 2930°C, lo que lo hace adecuado para su uso en entornos de alta temperatura.
- Densidad: El TiN tiene una densidad de 5,22 g/cm³.
- Conductividad térmica: La conductividad térmica del TiN es de unos 30 W/m-K, lo que le confiere buenas propiedades de conductividad térmica.
- Elasticidad: Módulo de elasticidad de hasta 590 GPa.
- Dilatación térmica: El coeficiente de dilatación lineal es de 9,35×10-6°C (20°C-1000°C).
Propiedades químicas:
- Estabilidad química: El TiN tiene una buena estabilidad química en el aire y en ambientes oxidantes, no es fácil de oxidar y corroer.
- Resistencia a la corrosión: el nitruro de titanio tiene buena resistencia a muchos productos químicos (como ácidos y álcalis).
Propiedades eléctricas:
- Conductividad: El TiN tiene conductividad metálica con una resistividad de unos 20 µΩ-cm.
- Estructura electrónica: el TiN tiene una mezcla de propiedades de enlace metálico y covalente, y la estructura electrónica le confiere una excelente conductividad eléctrica y térmica.
Aplicaciones del nitruro de titanio
Campo de revestimiento
Los recubrimientos de TiN son uno de los primeros recubrimientos de nitruro investigados y con mayor cuota de mercado. Se utiliza ampliamente como capa de recubrimiento para diversas herramientas de corte, cojinetes y moldes para mejorar su vida útil y reducir las pérdidas económicas. En comparación con las herramientas ordinarias sin recubrimiento, la velocidad de corte de la herramienta de recubrimiento aumentó 25%~70%, la precisión de mecanizado aumentó 0,5~1 nivel, el coste de consumo de la herramienta se redujo 20%~50%, la resistencia al desgaste aumentó 2~10 veces, la vida útil se extendió exponencialmente. Se puede ver que el revestimiento TiN tiene un gran papel en la promoción de la producción industrial.
Microelectrónica
La excelente conductividad del TiN en el campo de la microelectrónica puede utilizarse como electrodos de dispositivos semiconductores, capas tampón y capas barrera, etc. En los circuitos integrados basados en materiales de Si, el Cu se ha convertido en el material de cableado más ventajoso para preparar circuitos integrados de gran tamaño debido a su baja resistividad y excelente resistencia a la electromigración. Sin embargo, el Cu tiende a difundirse en el Si y sus sustratos químicos, lo que afecta gravemente al rendimiento de los dispositivos semiconductores. Con el fin de resolver estos problemas, entre la película de Cu y el sustrato para añadir una capa de baja resistividad, buena estabilidad térmica de la capa delgada de TiN, es decir, capa de barrera de TiN, capa de barrera de TiN en el impedimento de la difusión de Cu al mismo tiempo puede mejorar eficazmente la fuerza de la adhesión de la película de Cu. capa de barrera de TiN ha sido ampliamente utilizado en los circuitos integrados. La película multicapa de Cw/TiN/Si depositada con un espesor de 40 nm TN se trató térmicamente a 575° C durante dos horas, y la película de TiN seguía teniendo un alto efecto de bloqueo.
Campo de revestimiento
Con la mejora del nivel de vida moderno, los materiales decorativos sencillos y prácticos ya no pueden satisfacer las necesidades espirituales superiores de la gente. El color dorado ejerce una atracción especial sobre la gente, lo que hace que se invierta mucho dinero y tiempo en el campo de la imitación de oro. La anterior aleación de imitación de oro basada en Cu o el método químico de chapado en oro tienen un coste elevado, contaminan el medio ambiente y dificultan el desarrollo sostenible. La película de TiN tiene propiedades ópticas similares a las del oro, la plata y otros metales preciosos, y la película de TiN no es tóxica, es barata y es la opción ideal para los materiales modernos de imitación de oro. Las películas de TiN se prepararon mediante el método de pulverización catódica por magnetrón para investigar el efecto del contenido de nitrógeno en el color de las películas, y los resultados mostraron que con el aumento de la relación N/T, el color de las películas de TiN cambiaba de diversas maneras. El color variable y controlable hace que las películas de TiN tengan amplias perspectivas de aplicación en el campo de la decoración y la joyería.
Sector médico
El TiN es altamente biocompatible y puede utilizarse en medicina clínica y biónica. El entorno interno de los organismos vivos es muy complejo, los materiales metálicos médicos tradicionales se ven fácilmente afectados por el entorno interno de los organismos vivos, lo que provoca la degradación de los propios materiales metálicos y, lo que es más grave, el deterioro de los materiales será perjudicial para los organismos vivos, y la deposición de recubrimientos cerámicos de TiN en la superficie de los materiales metálicos médicos puede mejorar eficazmente la resistencia a la corrosión y la biocompatibilidad de los materiales metálicos. Se prepararon compuestos de TiN/Ti mediante la tecnología de recubrimiento iónico y se probaron en el cuerpo de animales, y los resultados mostraron que los compuestos de TiN/Ti tienen una mayor adaptabilidad y biocompatibilidad que el Ti puro y el acero inoxidable médico. En odontología, los materiales de TiN se utilizan principalmente en el recubrimiento superficial de herramientas de corte, implantes y prótesis dentales para ralentizar la corrosión de los implantes en el entorno electrolítico oral y mejorar la vida útil de los dispositivos médicos.
Otras zonas
Las películas de TiN son semitransparentes en la región visible y muy reflectantes en la región infrarroja, lo que supone una prometedora aplicación en el campo del vidrio inteligente. El punto de fusión del TiN es superior al de la mayoría de los nitruros sobremetálicos, mientras que la densidad es la opuesta, lo que constituye una propiedad especial que permite utilizar el TiN en la dirección de los materiales refractarios. Los avances en las modernas técnicas de preparación de materiales han dado al TiN más posibilidades para aplicaciones como el almacenamiento de energía, las baterías y los detectores. El nitruro de titanio es uno de los materiales más importantes e indispensables para la producción industrial moderna por su sencilla preparación y sus excelentes propiedades.
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