Нитрид титана, также известный как TiN, представляет собой химическое соединение, которое обычно используется для покрытия предметов. Тонкая пленка нитрида титана придает покрытому объекту золотой цвет. Он широко используется, поскольку он дешевле, чем большинство других соединений с аналогичными химическими свойствами. Существует множество коммерческих вариантов нитрида титана, но единственной известной формой нитрида титана является осборнит, который встречается в метеоритах.
Свойства нитрида титана
Нитрид титана обладает множеством свойств, которые делают его более желанным, чем большинство благородных металлов.
- Нитрид титана имеет молярную массу 61,874 г/моль.
- Он не имеет запаха.
- Он очень прочный. Он имеет кристаллическую структуру, похожую на хлорид натрия.
- Имеет высокую механическую прочность.
- Он имеет температуру плавления около 2947°C, что делает его пригодным для устройств и приборов, подвергающихся воздействию высоких температур.
- Устойчив к реакциям с кислотами и основаниями.
- Он биосовместим. Это означает, что TiN не оказывает вредного воздействия на людей и животных. Следовательно, он не вступает в реакцию с жидкостями организма или тканями организма.
Производство нитрида титана
Нитрид титана образуется из металлического элемента (титана) и азота. Эти два элемента подвергаются необратимой химической реакции, прежде чем образуется нитрид титана. Для покрытия пленки нитрида титана обычно используются два метода: метод физического осаждения из паровой фазы (PVD) и метод химического осаждения из паровой фазы (CVD) .
В методе физического осаждения из паровой фазы катод из титана реагирует с газообразным азотом. Металлический титан преобразуется в пар в азотной плазме под низким давлением. Электронно-лучевое испарение также можно использовать для испарения титана. Когда любой из двух вышеперечисленных процессов завершен, тонкая пленка TiN осаждается на материале, подвергнутом нагреву до температуры 200-500°С.
Метод химического осаждения из паровой фазы немного отличается. Для этого требуется использование тетрахлорида титана, водорода и азота. В результате этого метода на материал наносится тонкая пленка нитрида титана. Материал должен был быть нагрет более чем до тысячи градусов по Цельсию. Следовательно, этот метод требует больше энергии (тепла), чем метод физического осаждения из паровой фазы. Другие методы, используемые при производстве нитрида титана, включают:
- Взаимодействие металлического титана с азидом натрия: натрий, используемый для этой реакции, становится очень активным, поскольку твердые реагенты нагреваются в азоте.
- Нагревание оксида титана углеродным порошком в присутствии азота: это также известно как карботермическое восстановление нитрида титана.
Использование нитрида титана
Нитрид титана имеет множество применений. Это связано с множеством полезных свойств химического соединения. Вот некоторые области применения этого уникального соединения:
Ювелирные изделия: Нитрид титана имеет желтоватый цвет, что делает его похожим на золото. Однако он очень доступен по цене по сравнению с золотом. Это делает его идеальным для покрытия ювелирных изделий. Оно придает ювелирным изделиям изысканный внешний вид золота за гораздо меньшую цену.
Медицина. Благодаря тому, что TiN биосовместим, его можно использовать для производства большого количества медицинских инструментов. Он безопасен в соответствии с рекомендациями FDA и используется для производства лезвий скальпелей, ортопедических пил для костей и медицинских имплантатов.
Биоэлектроника: Нитрид титана используется для покрытия многих электродов, используемых в биоэлектронных устройствах. Некоторые из этих устройств включают имплантаты или биосенсоры, размещенные внутри тела. Для этого подходит TiN, поскольку он не подвергается коррозии при контакте с жидкостями организма. Он менее летуч в организме, чем большинство других металлов.
Пластиковая упаковка: Нитрид титана считается наноматериалом. Известно, что наноматериалы улучшают качество упаковочных материалов. Они создают улучшенный барьер для газообмена между упакованными продуктами питания и окружающей средой. Это продлевает срок хранения продуктов, особенно если это фрукты или овощи. Он также выделяет ионы, которые придают пластиковым упаковочным материалам антимикробные свойства.
Режущие инструменты: нитрид титана увеличивает срок службы режущих инструментов. Это может продлить срок службы инструмента в три, а то и в четыре раза. Это связано с тем, что TiN прочен, износостойкий и термостойкий. Режущие инструменты, изготовленные из TiN, имеют более острую кромку, чем инструменты, изготовленные из таких материалов, как углеродистая сталь.
Скользящие поверхности: TiN обладает смазочными свойствами. Это делает его идеальным для покрытия скользящих поверхностей. Поверхности скольжения, покрытые нитридом титана, обладают высокой устойчивостью к износу. Эти инструменты также имеют низкий коэффициент трения.
Заключение
Долговечность, прочность и доступность — это свойства, на которые часто обращают внимание в промышленных материалах, а нитрид титана воплощает в себе все эти свойства и даже больше. Учитывая множество полезных свойств и использование нитрида титана, легко увидеть, как он помогает производству многих предметов первой необходимости.