Propriétés et applications du nitrure de titane

2024-04-24

Le film de nitrure de titane (TiN) est un important matériau de revêtement de film dur, mais aussi le premier matériau de revêtement de film industrialisé et largement utilisé. Le film de TiN a un point de fusion élevé, une dureté élevée, une stabilité chimique à haute température et une excellente conductivité thermique, conductivité électrique, propriétés optiques, biocompatibilité, etc. et est applicable à une variété de domaines, tels que les revêtements de verre à haute température, résistants à l'usure, à faible rayonnement, et la science médicale, etc. La large application du film TiN impose des exigences plus élevées en matière de qualité du film, et la préparation d'un film TiN présentant une dureté plus élevée, une meilleure résistance à l'usure et une meilleure force d'adhérence est devenue un point chaud de la recherche sur les revêtements durs dans le pays et à l'étranger.

Propriétés du nitrure de titane

Le Ti et le N peuvent former une variété de solutions et de composés solides, les composés Ti-N courants sont Ti2N et TiN deux, le métal titane (Ti) dans la phase interstitielle est une rangée dense de matrice de points hexagonale ou un arrangement de matrice de points cubique à face centrée, les atomes d'azote non métalliques (N) remplissent la position interstitielle dans les cristaux de Ti. Dans la structure Ti2N, les atomes de métal Ti sont disposés en rangées denses de lignes hexagonales en pointillés, et les atomes N dans la position interstitielle dans celle-ci. Dans la structure Ti2N, les atomes métalliques de Ti sont disposés dans une matrice hexagonale dense et les atomes N se trouvent dans les positions interstitielles ; dans la structure TiN, les atomes métalliques de Ti sont disposés dans une matrice cubique à points centrés et les atomes N se trouvent dans les positions interstitielles dans l'octaèdre, ce qui forme la structure B1-NaCl typique, comme le montre la figure.

Propriétés physiques :

Couleur : le nitrure de titane a un aspect jaune doré et est souvent utilisé pour des revêtements décoratifs en raison de sa couleur.
Dureté : TiN a une dureté élevée, la dureté Vickers peut atteindre 2000-2500 HV, la microdureté est d'environ 21GPa, il a une excellente résistance à l'usure.
Point de fusion : le nitrure de titane a un point de fusion allant jusqu'à 2930°C, ce qui permet de l'utiliser dans des environnements à haute température.
Densité : le TiN a une densité de 5,22 g/cm³.
Conductivité thermique : la conductivité thermique du TiN est d'environ 30 W/m-K, ce qui lui confère de bonnes propriétés de conductivité thermique.
Élasticité : module d'élasticité jusqu'à 590 GPa.
Dilatation thermique : le coefficient de dilatation linéaire est de 9,35×10-6°C (20°C-1000°C).

Propriétés chimiques :

Stabilité chimique : le TiN présente une bonne stabilité chimique dans l'air et les environnements oxydants, il n'est pas facile de l'oxyder et de le corroder.
Résistance à la corrosion : le nitrure de titane présente une bonne résistance à de nombreux produits chimiques (tels que les acides et les alcalis).

Propriétés électriques :

Conductivité : le TiN présente une conductivité métallique avec une résistivité d'environ 20 µΩ-cm.
Structure électronique : le TiN présente un mélange de propriétés métalliques et de liaisons covalentes, et sa structure électronique lui confère une excellente conductivité électrique et thermique.

Applications du nitrure de titane

Champ de revêtement

Les revêtements TiN sont l'un des premiers à avoir fait l'objet de recherches et représentent la plus grande part de marché des revêtements nitrurés. Ils sont largement utilisés comme couche de revêtement pour divers outils de coupe, roulements et moules afin d'améliorer leur durée de vie et de réduire les pertes économiques. Par rapport aux outils ordinaires non revêtus, la vitesse de coupe de l'outil revêtu a augmenté de 25%~70%, la précision d'usinage a augmenté de 0,5~1 niveau, le coût de consommation de l'outil a diminué de 20%~50%, la résistance à l'usure a augmenté de 2~10 fois, la durée de vie s'est allongée de manière exponentielle. On peut constater que le revêtement TiN joue un rôle important dans la promotion de la production industrielle.

Microélectronique

L'excellente conductivité du TiN dans le domaine de la microélectronique peut être utilisée comme électrodes de dispositifs semi-conducteurs, couches tampons et couches barrières, etc. Dans les circuits intégrés basés sur des matériaux Si, le Cu est devenu le matériau de câblage le plus avantageux pour la préparation de circuits intégrés ultra-larges en raison de sa faible résistivité et de son excellente résistance à l'électromigration. Cependant, le cuivre a tendance à se diffuser dans le Si et ses substrats chimiques, ce qui affecte sérieusement les performances des dispositifs semi-conducteurs. Afin de résoudre ces problèmes, entre le film de Cu et le substrat, il convient d'ajouter une couche mince de TiN à faible résistivité et à bonne stabilité thermique, c'est-à-dire une couche barrière de TiN. La couche barrière de TiN empêche la diffusion du Cu et peut en même temps améliorer efficacement la force d'adhérence du film de Cu. La couche barrière de TiN a été largement utilisée dans les circuits intégrés. Le film multicouche Cw/TiN/Si déposé avec une épaisseur de 40 nm de TN a été traité thermiquement à 575° C pendant deux heures, et le film TiN a toujours un effet de blocage élevé.

Champ de revêtement

Avec l'amélioration du niveau de vie moderne, les matériaux décoratifs simples et pratiques ne peuvent plus répondre aux besoins spirituels supérieurs des gens. La couleur semblable à l'or exerce une attraction particulière sur les gens, ce qui les incite à investir beaucoup d'argent et de temps dans le domaine de l'imitation de l'or. Le film TiN possède des propriétés optiques similaires à celles de l'or, de l'argent et d'autres métaux précieux, et le film TiN est non toxique, peu coûteux et constitue le choix idéal pour les matériaux modernes d'imitation de l'or. Les films TiN ont été préparés par pulvérisation magnétron afin d'étudier l'effet de la teneur en azote sur la couleur des films, et les résultats ont montré qu'avec l'augmentation du rapport N/T, la couleur des films TiN changeait de diverses manières. La couleur variable et contrôlable des films TiN ouvre de vastes perspectives d'application dans le domaine de la décoration et de la joaillerie.

Domaine médical

Le TiN est hautement biocompatible et peut être utilisé en médecine clinique et en bionique. L'environnement interne des organismes vivants est très complexe, les matériaux métalliques médicaux traditionnels sont facilement affectés par l'environnement interne des organismes vivants, ce qui entraîne la dégradation des matériaux métalliques eux-mêmes et, plus grave encore, la détérioration des matériaux sera nocive pour les organismes vivants. Le dépôt de revêtements céramiques TN sur la surface des matériaux métalliques médicaux peut améliorer efficacement la résistance à la corrosion et la biocompatibilité des matériaux métalliques. Les composites TiN/Ti ont été préparés par la technologie de placage ionique et testés sur des animaux. Les résultats ont montré que les composites TiN/Ti ont une meilleure adaptabilité et biocompatibilité que le Ti pur et l'acier inoxydable médical. En dentisterie, les matériaux TiN sont principalement utilisés pour le revêtement de surface des outils de coupe, des implants et des prothèses dentaires afin de ralentir la corrosion des implants dans l'environnement électrolytique oral et d'améliorer la durée de vie des dispositifs médicaux.

Autres domaines

Les films de TiN sont semi-transparents dans le domaine visible et hautement réfléchissants dans le domaine infrarouge, ce qui constitue une application prometteuse dans le domaine du verre intelligent. Le point de fusion du TiN est plus élevé que celui de la plupart des nitrures surmétalliques, alors que la densité est inverse, ce qui est une propriété particulière qui permet d'utiliser le TiN dans le sens des matériaux réfractaires. Les progrès des techniques modernes de préparation des matériaux ont élargi le champ d'application du TiN à des domaines tels que le stockage de l'énergie, les batteries et les détecteurs. Le nitrure de titane est l'un des matériaux les plus importants et les plus indispensables à la production industrielle moderne en raison de sa simplicité de préparation et de ses excellentes propriétés.

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