Нитрид титана

Шаблон:Карточка{{#invoke:check for unknown parameters|check |unknown= |ignoreblank= |preview= |showblankpositional= |CAS|ChEBI|ChemSpiderID|ECB|EINECS|H-фразы|InChI|InChIKey|NFPA 704|P-фразы|PubChem|R-фразы|RTECS|S-фразы|SMILES|nocat|Кодекс Алиментариус|ЛД50|ООН|ПДК|СГС|большие схемы|вещество1|вещество2|вещество3|вещество4|внешний вид|вращение|гибридизация|давление пара|диапазон прозрачности|динамическая вязкость|дипольный момент|заголовок|изображение|изображение слева|изображение справа|изображение2|изоэлектрическая точка|интервал трансформации|картинка|картинка малая|картинка2|картинка3D|картинка 3D|картинка3D2|кинематическая вязкость|конст. диссоц. кислоты|константа В. дер В.|координационная геометрия|коэфф. электр. сопротив.|кристаллическая структура|критическая плотность|критическая темп.|критическая точка|критическое давление|молярная концентрация|молярная масса|наименование|описание изображений слева и справа|описание изображения|описание изображения слева|описание изображения справа|описание изображения2|описание картинки|описание картинки2|описание картинки3D|описание картинки3D2|описание малой картинки|от. диэлектр. прониц.|плотность|поверхностное натяжение|показатель преломления|предел прочности|пределы взрываемости|примеси|проводимость|растворимость|растворимость1|растворимость2|растворимость3|растворимость4|рац. формула|сигнальное слово|скорость звука|сокращения|состояние|твёрдость|темп. воспламенения|темп. вспышки|темп. кипения|темп. кипения пр.|темп. плавления|темп. разложения|темп. самовоспламенения|темп. стеклования|темп. сублимации|температура размягчения|тепловое расширение|теплопроводность|теплоёмкость|теплоёмкость2|токсичность|традиционные названия|тройная точка|угол Брюстера|уд. электр. сопротивление|удельная теплота парообразования|удельная теплота плавления|фазовые переходы|хим. имя|хим. формула|ширина изображения|ширина изображения2|энергия ионизации|энтальпия кипения|энтальпия образования|энтальпия плавления|энтальпия растворения|энтальпия сгорания|энтальпия сублимации|ЕС|удельная теплота парообразования2|удельная теплота плавления2|Номер UN|эмпирическая формула|теплота парообразования|энтальпия раствородия|тепловое расширодие}} Нитри́д тита́на — бинарное химическое соединение титана с азотом.

Представляет собой фазу внедрения с широкой областью гомогенности, которая составляет от 14,8 до 22,6 % азота (по массе), что можно обозначить брутто-формулами от Ti₁₀N₆ до TiN соответственно.

Физические свойства

Нитрид титана представляет собой материал жёлто-коричневого цвета, а в компактном состоянии приобретает золотистую окраску.

Имеет кубическую гранецентрированную решётку типа NaCl, пространственная группа Fm3m, с периодом а = 0,4235 нм.

• Удельное электрическое сопротивление 40 мкОм∙см.
• Коэффициент линейного теплового расширения 9,35∙10⁻⁶ 1/K (25-1100 °C)
• Микротвердость 2050 кгc/мм² .
• Модуль упругости 25600 кг/мм².

Получение

Нитрид титана можно получить одним из следующих способов.

• Азотированием титана (непосредственным насыщением азотом):

Процесс азотирования проводят обычно при температуре выше 1100 °C в среде азота или диссоциированного аммиака. Для этой цели используют титан в виде порошка или стружки. Чистый порошок титана может быть заменён гидридом титана;

• Взаимодействием тетрахлорида титана со смесью азота и водорода:

В основе этого способа лежит реакция:

$2\mathrm{T}\mathrm{i}\mathrm{C}\mathrm{l}{\phantom{A}}_4+2\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3⟶2\mathrm{T}\mathrm{i}\mathrm{N}+6\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}+\mathrm{C}\mathrm{l}{\phantom{A}}_2$

которую проводят при температуре выше 1000 °C. Также образующийся нитрид титана можно осадить на вольфрамовую нить, нагретую до температуры 1400—2000 °C;

• Разложением аминохлоридов титана:

$\mathrm{T}\mathrm{i}\mathrm{C}\mathrm{l}{\phantom{A}}_4\cdot 4\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3⟶\mathrm{T}\mathrm{i}\mathrm{N}+\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}+\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3$

Аминохлорид титана разлагается с образованием промежуточного продукта TiNCl, нагрев которого до температуры 1000 °C приводит к образованию свободного от хлора нитрида титана;

• Восстановлением оксида титана углеродом в среде азота:

В основе процесса лежит реакция:

$2\mathrm{T}\mathrm{i}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+4\mathrm{C}+\mathrm{N}{\phantom{A}}_2⟶2\mathrm{T}\mathrm{i}\mathrm{N}+4\mathrm{C}\mathrm{O}$

С увеличение температуры процесса восстановления с 1000 °C до 1700 °C выход нитрида титана увеличивается, но при этом в продуктах реакции наблюдается появление карбида титана. Этот способ весьма пригоден для получения технически чистого нитрида титана в больших количествах, используемого для изготовления огнеупоров;

• Синтезом в плазме:

Как исходный продукт для получения нитрида титана может быть использован TiCl₄ или порошок титана, который подают в струю плазмы генерируемую СВЧ-плазмотроном. Плазмообразующим газом является азот. Порошки полученные этим способом могут иметь размеры от 10 нм до 100 нм;

• Самораспространяющимся высокотемпературным синтезом:

Суть способа заключается в химической реакции титана с азотом, которая происходит с выделением тепла. Процесс ведут в герметическом реакторе, в котором процесс самопроизвольного горения инициируют нагревом контейнера, заполненного азотом и порошком титана.

Химические свойства

Нитрид титана устойчив к окислению на воздухе до 700—800 °C, при этих же температурах сгорает в токе кислорода:

$2\mathrm{T}\mathrm{i}\mathrm{N}+2\mathrm{O}{\phantom{A}}_2⟶2\mathrm{T}\mathrm{i}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+\mathrm{N}{\phantom{A}}_2$.

При нагреве до 1200 °C в среде водорода или в смеси азота и водорода нитрид титана инертен.

Нитрид титана стехиометрического состава проявляет стойкость к CO, но медленно реагирует с CO₂ по реакции:

$2\mathrm{T}\mathrm{i}\mathrm{N}+4\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2⟶2\mathrm{T}\mathrm{i}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+4\mathrm{C}\mathrm{O}+\mathrm{N}{\phantom{A}}_2$.

Реагирует на холоде с фтором:

$2\mathrm{T}\mathrm{i}\mathrm{N}+4\mathrm{F}{\phantom{A}}_2⟶2\mathrm{T}\mathrm{i}\mathrm{F}{\phantom{A}}_4+\mathrm{N}{\phantom{A}}_2$.

Хлор не взаимодействует с нитридом титана до 270 °C, но реагирует с ним при температурах свыше 300—400 °C:

$2\mathrm{T}\mathrm{i}\mathrm{N}+4\mathrm{C}\mathrm{l}{\phantom{A}}_2⟶2\mathrm{T}\mathrm{i}\mathrm{C}\mathrm{l}{\phantom{A}}_4+\mathrm{N}{\phantom{A}}_2$.

При температуре 1300 °C хлороводород взаимодействует с $\mathrm{T}\mathrm{i}\mathrm{N}$ с образованием газообразных хлоридов титана и азота с водородом.

Взаимодействует с дицианом образуя карбонитрид титана:

$10\mathrm{T}\mathrm{i}\mathrm{N}+(\mathrm{C}\mathrm{N}){\phantom{A}}_2⟶2\mathrm{T}\mathrm{i}{\phantom{A}}_5\mathrm{N}{\phantom{A}}_4\mathrm{C}+2\mathrm{N}{\phantom{A}}_2$.

При комнатной температуре, по отношению к серной, соляной, фосфорной, хлорной кислотам, а также к смесям хлорной и соляной, щавелевой и серной кислот, нитрид титана является стойким соединением. Кипящие кислоты (соляная, серная и хлорная) слабо взаимодействуют с $\mathrm{T}\mathrm{i}\mathrm{N}$. На холоде малоустойчив против растворов гидроксида натрия. Взаимодействует с азотной кислотой, а в присутствии сильных окислителей растворяется плавиковой кислотой.

Нитрид титана является стойким к действию расплавов олова, висмута, свинца, кадмия и цинка. При высокой температуре разрушается оксидами железа (Fe₂O₃), марганца (MnO), кремния (SiO₂) и стеклом.

Применение

Купол Соборного храма во имя Богоявления Господня Ниловой пустыни, покрытый металлическими листами с нанесённым нитридом титана

Применяется как жаропрочный материал, в частности, из него делают тигли для плавки металлов в бескислородной атмосфере.

В металлургии это соединение встречается в виде относительно крупных (единицы и десятки микрон) неметаллических включений в сталях, легированных титаном. Такие включения имеют на шлифах, как правило, форму квадратов и прямоугольников, их легко идентифицировать методом металлографического анализа. Такие крупные частицы нитрида титана, образующиеся из расплава, приводят к ухудшению качества литого металла.

Нитрид титана используется для создания износостойких покрытий металлорежущего инструмента.

Используется в микроэлектронике в качестве диффузионного барьера совместно с медной металлизацией и др.

Также нитрид титана применяется в качестве износостойкого и декоративного покрытия. Изделия, покрытые им, по внешнему виду похожи на золото и могут иметь различные оттенки, в зависимости от соотношения металла и азота в соединении. Нанесение покрытия из нитрида титана производится в специальных камерах термодиффузионным методом. При высокой температуре титан и азот реагируют вблизи поверхности покрываемого изделия и диффундируют в саму структуру металла.

Соединение не используется для покрытия электрических контактов.

Напыление из нитрида титана используют для покрытия зубных коронок, имитирующих золотые, и зубных мостов.

См. также

• Метод КИБ
• PVD-процесс

Литература

• Шаблон:Книга