Nitruro di titanio | |
__ Ti __ N Struttura cristallina del nitruro di titanio |
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Identificazione | |
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N o CAS | |
N o ECHA | 100.042.819 |
N o CE | 247-117-5 |
N o RTECS | XR2230000 |
PubChem | 93091 |
SORRISI |
N # [Ti] , |
InChI |
Std. InChI: InChI = 1S / N.Ti Std. InChIKey: NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N |
Aspetto | solido cristallizzato dorato |
Proprietà chimiche | |
Formula bruta |
N Ti |
Massa molare | 61,874 ± 0,001 g / mol N 22,64%, Ti 77,36%, |
Proprietà fisiche | |
T ° fusione | 2930 ° C |
Solubilità | Insolubile in acqua |
Massa volumica | 5,24 g · cm -3 |
Unità di SI e STP se non diversamente specificato. | |
Il nitruro di titanio è un composto chimico di formula TiN. È una ceramica ultra refrattaria molto dura e resistente alla corrosione . È comunemente usato come rivestimento per leghe di titanio e componenti in acciaio , carburo e alluminio per migliorare le proprietà superficiali. Si applica in uno strato sottile , generalmente di spessore inferiore a 5 μm , ad esempio in gioielleria per il suo colore dorato, su ceramiche ad alte prestazioni per proteggere e indurire superfici taglienti o soggette ad attrito per le sue proprietà meccaniche, o su strumenti medici come lame da bisturi e lame per sega ossea ortopediche grazie alla sua biocompatibilità . Può anche essere utilizzato come strato conduttivo e barriera alla diffusione in microelettronica , come elettrodo in applicazioni bioelettroniche e più in generale come rivestimento superficiale su impianti medici.
Nitruro di titanio ha una durezza Vickers da 1800 a 2100, un modulo di elasticità di 251 GPa , un coefficiente di espansione termica di 9,35 × 10 -6 K -1 e un superconduttore temperatura di transizione di 5,6 K . Ha anche una conduttività termica di 29,1 W · m −1 · K −1 , una costante di Hall di 0,67, una suscettibilità magnetica di + 0,8 e una resistività elettrica di 20 µΩ · cm .
In atmosfera normale, nitruro di titanio viene ossidato a 800 ° C . Test di laboratorio dimostrano che è chimicamente stabile a 20 ° C ma che può essere gradualmente attaccato da soluzioni acide concentrate all'aumentare della temperatura. Il coefficiente di attrito senza lubrificante tra due superfici di nitruro di titanio varia da 0,4 a 0,9 a seconda della natura e della finitura di queste superfici.
Il nitruro di titanio ha una struttura cristallina simile a quella del cloruro di sodio , in cui gli atomi di titanio formano una rete cubica centrata , gli atomi di azoto che occupano i siti ottaedrici interstiziali nella struttura. La stechiometria del materiale è di circa 1: 1, ma le sostanze TiN xcon x compreso tra 0,6 e 1,2 sono termodinamicamente stabili.
A differenza dei solidi non metallici come il diamante , il carburo di boro B 4 Co carburo di silicio SiC, il nitruro di titanio presenta un comportamento metallico. È, ad esempio, un conduttore di elettricità . Il coefficiente termico di resistenza elettrica è positivo e il suo comportamento magnetico è indicato da un debole paramagnetismo termoindurente.
Un cristallo singolo di nitruro di titanio diventa superconduttore sotto di una temperatura critica di 6,0 K . La superconduttività dei film sottili di nitruro di titanio è stata studiata in dettaglio e ha dimostrato che le proprietà superconduttive di questo materiale variano notevolmente a seconda della preparazione dei campioni. Un sottile strato di nitruro di titanio raffreddato vicino allo zero assoluto ha permesso di osservare uno dei primi sopra-isolanti , la cui resistenza elettrica è stata improvvisamente moltiplicata per 100.000 rispetto al materiale a temperatura più elevata.
Il punto di fusione del nitruro di titanio è dell'ordine di 2930 ° C e il liquido si decompone per riscaldamento prima di raggiungere il punto di ebollizione . Il solido ha buone caratteristiche tribologiche ed è quindi di interesse per sistemi che richiedono una buona resistenza all'usura . L' affinità per altre sostanze è molto bassa. Il nitruro di titanio è altamente riflettente nella radiazione infrarossa e il suo spettro di riflessione è identico a quello dell'oro .
Dal drogaggio con amorfo silicio , le proprietà meccaniche del cambiamento nitruro di titanio radicalmente: diventa fragile e più difficile.
Le notevoli proprietà fisiche di questo materiale sono controbilanciate dalla sua fragilità , che porta al suo utilizzo principalmente come film di rivestimento.
Il nitruro di titanio è praticamente chimicamente inerte a temperatura ambiente. Mostra solo i primi segni di attacco a temperature superiori a 600 ° C in aria e si ossida realmente solo in un'atmosfera satura di ossigeno O 2o anidride carbonica CO 2più di 1200 ° C . In un bagno NaOH di idrossido di sodio riscaldato, si dissocia con l'emissione di ammoniaca NH 3. È resistente al freddo all'acido cloridrico HCl, acido solforico H 2 SO 4, con acido nitrico HNO 3e acido fluoridrico HF così come idrossido di sodio e persino vapore acqueo H 2 Oriscaldato a 100 ° C , ma viene attaccato da questi acidi concentrati caldi. Rimane stabile in presenza di metalli reattivi fusi.
Il nitruro di titanio viene generalmente prodotto sotto forma di film di spessore micrometrico , più raramente sotto forma di ceramica o polvere . Esso può essere costituito da due elementi a temperature superiori a 1200 ° C , avendo cura di rimuovere l'ossigeno dal dell'aria e idrogeno , un vincolo che è dannosa per il funzionamento industriale. Questo processo di nitrurazione diretta del titanio è rappresentato dalla seguente equazione:
2 Ti + N 2 ⟶ 2 TiN.L'altro modo per produrre nitruro di titanio è la fase gassosa ammonolisi a temperature superiori a 900 ° C . Questo processo riduce lo stato di ossidazione del titanio presente nel tetracloruro di titanio TiCl 4.da +4 a +3, che consente di legarlo al nitruro di titanio; l'elettrone è dato dalla azoto della ammoniaca NH 3. Come nel caso della nitrurazione diretta del titanio, è nuovamente necessario rimuovere l'ossigeno e l'idrogeno dal mezzo di reazione. L'ammonolisi in fase gassosa può essere riassunta dalla seguente equazione:
4 TiCl 4+ 6 NH 3⟶ 4 TiN + 16 HCl + N 2+ H 2.L'ammoniaca in eccesso produce cloruro di ammonio NH 4 Cl.
La nitrurazione diretta del titanio può essere effettuata in un bagno ( sale fuso ) di acido cianidrico ( cianuro di potassio KCN / carbonato di potassio K 2 CO 3). I processi comuni qui sono la cementazione superficiale in un bagno di cianuro (processo TIDURAN), la nitrurazione ad alta pressione (processo TIDUNIT) e la nitrurazione al plasma in un'atmosfera di idrogeno e azoto. La pellicola di nitruro ha solitamente uno strato di legame di 10 μm di spessore e uno strato di diffusione da 50 a 200 μm di spessore. Mediante la nitrurazione al plasma è possibile ottenere un film senza strato di legame.
Sintesi di film sottili di nitruro di titanio da tetracloruro di titanio TiCl 4e azoto N 2in un plasma a idrogeno è riassunto dalla seguente equazione chimica:
2 TiCl 4+ 4 ore 2+ N 2⟶ 2 TiN + 8 HCl .Film sottili di nitruro di titanio, che mostrano proprietà semiconduttrici sul biossido di silicio SiO 2, può essere formato per deposizione chimica da fase vapore ( CVD ) di tetrakis (dimetilammino) titanio (TDMAT), di formula Ti [N (CH 3 ) 2 ] 4.
È possibile rivestire metalli e alcuni polimeri con film sottili di nitruro di titanio principalmente mediante deposizione fisica in fase di vapore ( PVD ), ad esempio mediante sputtering . È in quest'ultimo caso bombardare un catodo in titanio da ioni di gas nobile ( argon ), che ha l'effetto di fissare l'atomo di titanio e l' azoto spruzzato sul substrato. La concentrazione di azoto nell'atmosfera determina la sua concentrazione finale nel film depositato. È possibile ottenere titanio puro, Ti 2 Ne TiN a seconda del contenuto di azoto scelto. Le proprietà fisiche del materiale ottenuto dipendono anche dalla loro stechiometria : il colore tende maggiormente al marrone e al bronzo mentre la durezza è la metà inferiore per le formulazioni super-stechiometriche.
La deposizione fisica da vapore è la tecnica preferita con le parti in acciaio poiché la temperatura di reazione è superiore alla temperatura di austenitizzazione dell'acciaio. Può essere utilizzato anche su vari materiali con un punto di fusione più elevato, come acciaio inossidabile , titanio e leghe di titanio . Il suo alto modulo di Young - in letteratura sono stati riportati valori compresi tra 450 e 590 GPa - significa che gli strati spessi tendono a sfaldarsi, rendendoli meno resistenti degli strati sottili.
Ottenere ceramiche di nitruro di titanio solido è più difficile perché l' elevata covalenza del nitruro di titanio puro si traduce in una ridotta sinterizzazione . Per questo è necessario concentrare il nitruro di titanio, ricorrere a polveri reattive e applicare una forte pressione esterna per effettuare la formatura . In assenza di una pressione ambiente sufficiente, la ceramica ottenuta non avrà la densità teorica, tra gli altri difetti. Esiste però un processo, consistente nell'utilizzare una polvere finissima (detta nanopolvere ), che permette di evitare l'utilizzo di pressioni elevate.
I rivestimenti in nitruro di titanio vengono utilizzati per limitare l'usura dei bordi e la corrosione superficiale su utensili da taglio come trapani , punzoni e fresatrici , in particolare su parti in acciaio ad alta velocità o armi da fuoco , compresa la durata può essere triplicata o anche di più. Questi rivestimenti in oro sono molto sottili e raramente superano i 4 μm di spessore, con strati più spessi che tendono a rompersi. Il metallo rivestito deve essere sufficientemente duro , vale a dire avere un'elevata resistenza alla compressione in modo che una punzonatura non perfori il rivestimento.
Il nitruro di titanio è sia biocompatibile che bio-stabile, quindi viene utilizzato su strumenti chirurgici e su protesi comprese protesi d' anca o come elettrodi per pacemaker . Più in generale, viene utilizzato negli elettrodi per applicazioni bioelettroniche come impianti intelligenti o biosensori in vivo che devono resistere alla forte corrosione indotta dai fluidi corporei . Gli elettrodi in nitruro di titanio sono già stati utilizzati per protesi visive (en) e per sistemi microelettromeccanici biomedicali ( Bio-MEMS (en) ).
A causa della sua atossicità e del colore dorato, il nitruro di titanio viene spesso utilizzato per coprire oggetti di uso quotidiano a stretto contatto con il corpo o il cibo, come bigiotteria, montature per occhiali, orologi, bracciali, utensili da cucina e persino accessori automobilistici, per scopi decorativi scopi. Viene anche utilizzato come rivestimento superficiale, solitamente su superfici placcate con nichel o cromo , su fissaggi idraulici o accessori per porte.
Sebbene meno visibili in questo uso, i film sottili di nitruro di titanio sono utilizzati anche nella microelettronica , dove servono come connessioni conduttive tra strati attivi e contatti metallici mentre agiscono come barriera alla diffusione tra metallo e silicio. In questo contesto, il nitruro di titanio è classificato come un "metallo barriera" sebbene sia chiaramente una ceramica dal punto di vista chimico e del comportamento meccanico. La recente tecnologia di progettazione del chip a 45 nm e inferiore utilizza anche nitruro di titanio come "metallo" per migliorare le prestazioni dei transistor . In combinazione con dielettrici ad alto κ come HfSiO, che hanno una permittività maggiore del biossido di silicio SiO 2 standard, la lunghezza del gate può essere ridotta con bassa dispersione, maggiore corrente di pilotaggio e tensione di soglia uguale o superiore.
Il nitruro di titanio è anche oggetto di usi più specifici. Ad esempio, si stanno studiando film sottili di nitruro di titanio come rivestimento di leghe di zirconio per combustibili nucleari resistenti agli incidenti. La durezza, la resistenza all'usura e l' elevato potere dissipante del nitruro di titanio lo rendono un materiale di elezione per la produzione di cuscinetti in macchine di precisione e rotori. Le sue proprietà antiaderenti ne consentono l'utilizzo come rivestimento protettivo ad alta temperatura. Il suo basso coefficiente di attrito è sfruttato nel suo utilizzo come rivestimento per assali negli ammortizzatori e nell'idraulica industriale. La sua altissima stabilità alle alte temperature consente la sinterizzazione nella metallurgia delle polveri . Può essere utilizzato come additivo per aumentare la conduttività elettrica della ceramica nelle macchine.
Il nitruro di titanio non presenta quasi alcun pericolo, poiché non è infiammabile, inerte e, inoltre, biocompatibile. Le direttive dell'Unione Europea non lo considerano pericoloso e quindi non impongono alcuna segnaletica che lo riguardi. È considerato non inquinante in acqua. Le polveri di nitruro di titanio sono (come per altri metalli) pericolose per la salute. Il limite di tolleranza OSHA è di 15 mg m −3 .