Нитрид титана

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Нитрид титана
Нитрид титана
Нитрид титана
Общие
Систематическое
наименование
мононитрид титана
Традиционные названия нитрид титана
Хим. формула TiN
Физические свойства
Состояние твёрдое
Молярная масса 61,874 г/моль
Плотность 5,44 г/см³
Термические свойства
Т. плав. 2930 °C
Мол. теплоёмк. 37,12 Дж/(моль·К)
Теплопроводность 41,8 Вт/(м·K)
Классификация
Рег. номер CAS 25583-20-4
PubChem 93091
SMILES
Рег. номер EC 247-117-5
Приводятся данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иначе.

Нитрид титана — 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 TiN0,60 до TiN1,0 соответственно[1].

Физические свойства[править | править исходный текст]

Нитрид титана представляет собой порошок желто-коричневого цвета, а в компактном состоянии приобретает золотистую окраску. Имеет кубическую гранецентрированную решётку типа NaCl, пространственная группа Fm3m, с периодом а = 0,4235 нм.

Получение[править | править исходный текст]

Нитрид титана можно получить одним из следующих способов[1][3].

  • Непосредственным насыщением титана 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 заменен гидридом титана;
В основе этого способа лежит реакция:
2TiCl4 + 2NH3 = 2TiN + 6HCl + Cl2
которую проводят при температуре выше 1000 °C. Так же нитрид титана можно осадить на вольфрамовую нить нагретую до температуры 1400—2000 °C;
  • Разложением аминохлоридов титана:
TiCl4•4NH3 → TiN + HCl + NH3
Аминохлорид титана разлагается с образованием промежуточного продукта TiNCl, нагрев которого до температуры 1000 °C приводит к образованию чистого от хлора нитрида титана;
В основе процесса лежит реакция:
2TiO2 + 4C + N2 = 2TiN + 4CO
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;
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[4];
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[5].

Химические свойства[править | править исходный текст]

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

2TiN + 2O2 = 2TiO2 + N2

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

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

2TiN + 4CO2 → 2TiO2 + 4CO + N2

Реагирует на холоде с фтором:

2TiN + 4F2 = 2TiF4 + N2

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

2TiN + 4Cl2 = 2TiCl4 + N2

При температуре 1300 °C хлороводород взаимодействует с TiN с образованием газообразных хлоридов титана и азота с водородом.

Взаимодействует с дицианом образуя карбонитрид титана[3]:

10TiN + (CN)2 = 2Ti5N4C + 2N2

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 TiN. 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 сильно разъедается окислами железа (Fe2O3), марганца (MnO), кремния (SiO2) и стеклом[1].

Применение[править | править исходный текст]

Купол Соборного храма во имя Богоявления Господня Ниловой пустыни, покрытый нитридом титана.

Применяется как жаропрочный материал, в частности из него делают тигли для бескислородной плавки металлов. В металлургии это соединение встречается в виде относительно крупных (единицы и десятки микрон) неметаллических включений в сталях, легированных титаном. Такие включения имеют, 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 (в частности, для зубных протезов жёлтого «под золото» цвета), 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 не отличаются от золота и могут иметь различные оттенки, в зависимости от соотношения металла и азота в соединении. Нанесение 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.

См. также[править | править исходный текст]

Примечания[править | править исходный текст]

  1. 1 2 3 Самсонов Г. В. Нитриды. — Наукова думка, 1969. — С. 133-158. — 380 с.
  2. Самсонов Г. В., Виницкий И. М. Тугоплавкие соединения (справочник). — Металлургия, 1976. — С. 560.
  3. 1 2 Лучинский Г. П. Химия титана. — Химия, 1971. — С. 168-170. — 472 с.
  4. Краснокутский Ю. И., Верещак В. Г. Получение тугоплавких соединений в плазме. — Вища шк., 1987. — С. 134-139. — 200 с.
  5. Степанчук А. Н., Билык И. И., Бойко П. А. Технология порошковой металлургии. — Выща шк., 1985. — С. 169-170. — 415 с.