探究氮化鈦粉末生產(chǎn)工藝及其應(yīng)用新進(jìn)展

摘 要：針對(duì)氮化鈦粉末，首先對(duì)氮化鈦屬性進(jìn)行分析，明確其結(jié)構(gòu)、性能。在此基礎(chǔ)上，提出三種氮化鈦粉末生產(chǎn)方法，介紹不同生產(chǎn)方法的優(yōu)劣，最后結(jié)合氮化鈦粉末應(yīng)用現(xiàn)狀，對(duì)其應(yīng)用新方向進(jìn)行展望，以期達(dá)到促進(jìn)新材料發(fā)展、應(yīng)用的目的。

關(guān)鍵詞：氮化鈦粉末；生產(chǎn)工藝；應(yīng)用進(jìn)展

在全新的工業(yè)生產(chǎn)格局中，各行業(yè)對(duì)新材料的需要已十分迫切，氮化鈦粉末作為少數(shù)具備良好物理與化學(xué)性能的材料，其消耗量日益增大，為有效促進(jìn)生產(chǎn)，提升產(chǎn)量和產(chǎn)率，本文圍繞氮化鈦屬性，對(duì)氮化鈦粉末生產(chǎn)工藝及應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行分析，具體內(nèi)容如下。

1 氮化鈦屬性分析

氮化鈦結(jié)構(gòu)和氯化鈉結(jié)構(gòu)類似，屬于典型的面心立方，氮原子分別占立方角頂，而鈦原子則主要占據(jù)面心立方。從化合物種類角度講，氧化鈦為非計(jì)量化合物，氮元素實(shí)際含量會(huì)在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生變化，但這一變化并不能引起化合物結(jié)構(gòu)改變[ 1 ]。由于氮化鈦、碳化鈦和氧化鈦的晶格系數(shù)較為相近，所以氮原子大多被其他兩個(gè)原子以隨機(jī)的比例代替形成固溶體。氮原子發(fā)生變化會(huì)使氮化鈦?zhàn)陨砦锢硇再|(zhì)出現(xiàn)改變，如氮元素含量變少，碳元素的含量會(huì)變大，且氮化鈦晶格系數(shù)因此增大，顯微硬度明顯變大，抗震性能減弱。氮化鈦具備很多優(yōu)異的化學(xué)和物理性能，如耐酸、耐堿性強(qiáng)、熔點(diǎn)高、硬度大、金屬濕潤(rùn)性弱、存在自潤(rùn)滑性能等，同時(shí)其顏色與黃金類似，可用作裝飾材料，應(yīng)用范圍廣泛。

2 氮化鈦粉末生產(chǎn)工藝

2.1 鈦粉氮化生產(chǎn)法

在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，有很多生產(chǎn)氮化鈦的工藝方法，其中最簡(jiǎn)單的就是鈦粉氮化生產(chǎn)法。其操作方法為：在1000-1400℃的環(huán)境下使鈦粉氮化，氮化時(shí)間不少于1h，經(jīng)粉碎處理后即可得到氮化鈦粉末，化學(xué)反應(yīng)式為：2Ti+N2→2TiN，一般情況下反應(yīng)溫度在1200℃左右。

實(shí)際操作中具體的氮化方法也可以選用金屬氫化物，化學(xué)反應(yīng)式為：2TiH2+N2→2TiN+2N2。另外，在氮等離子中通過(guò)甲烷與鈦粉之間的反應(yīng)（5200-6200℃）也可生成氮化鈦粉末。

2.2 TiO2碳熱還原生產(chǎn)法

該生產(chǎn)方法的反應(yīng)過(guò)程為：

TiO2+2C→TiN+2CO （1）

在適宜的條件下，TiO2與碳發(fā)生反應(yīng)會(huì)生成碳化鈦與一氧化碳，反應(yīng)式為：

TiO2+3C→TiC+2CO （2）

（1）-（2）可得：

TiC+1/2N2→TiN+C （3）

對(duì)于（3）而言，其在900-1700K條件下的自由焓反應(yīng)式為：

ΔGr=-36.76+19.80×10-3T

如果自由焓屬于零時(shí)反應(yīng)，則（3）對(duì)應(yīng)的平衡溫度可確定為1584℃。通過(guò)熱力學(xué)計(jì)算確定的溫度對(duì)于氮化鈦的合成有重要的指導(dǎo)意義，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是合成溫度通常不能超出這一溫度。通過(guò)研究可知，采取這一方法生產(chǎn)氮化鈦粉末，可使用分解氨等氮化劑。若使用純氮進(jìn)行氮化生產(chǎn)，則溫度具有十分關(guān)鍵的作用，反應(yīng)溫度在1250℃以內(nèi)時(shí)，反應(yīng)過(guò)程不順利，即便反應(yīng)時(shí)間被大幅延長(zhǎng)，中間產(chǎn)物極難消失，只有在溫度升高值1300℃后才可以生產(chǎn)出氮化鈦，同時(shí)還會(huì)顯露出粉末原色[ 2 ]。隨著反應(yīng)溫度的不斷提升，反應(yīng)速度加快，而且反應(yīng)也會(huì)因此變得更為徹底。

2.3 氣相生產(chǎn)法

采用TiO2碳熱還原生產(chǎn)法得到的粉末粒徑通常為5μm，若對(duì)原料實(shí)施深入的處理，可得到粒徑更小的粉末產(chǎn)品。然而，由這一生產(chǎn)工藝得出的粉末普遍含有較高的含氧量，氧也是氮化鈦常見(jiàn)雜質(zhì)。為除掉粉末產(chǎn)品當(dāng)中的氧，需進(jìn)行凈化處理。第三種生產(chǎn)方法就是氣相生產(chǎn)法，其生產(chǎn)原理為將氯化鈦?zhàn)鳛殁佋貋?lái)源，向原料中通入一定量的分解氨，借助物理或化學(xué)手段在基體上通過(guò)沉積生成鈦薄膜，也可使用還原劑對(duì)氯化鈦實(shí)施還原，通過(guò)沉淀形成鈦薄膜。

3 氮化鈦粉末應(yīng)用新進(jìn)展

在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，經(jīng)常使用氮化鈦制備切削刀具與坩堝，也可在陶瓷基涂層中使用。氮化鈦涂層也能被稱作鈦金，在家具、表殼等工藝品中十分常見(jiàn)，仿金效果良好，且極具裝飾價(jià)值，且可發(fā)揮防腐作用，能起到有效延長(zhǎng)產(chǎn)品使用壽命的作用。鍍有一層鈦金的玻璃會(huì)變成一個(gè)全新的熱鏡材料，若薄膜厚度在90mm以上，則紅外線折射率將超出75%，大幅提升玻璃材料保溫性能。此外，鈦金顏色還能隨機(jī)修改，伴隨氮含量的不斷降低，薄膜會(huì)依次變?yōu)榻瘘S、古銅、紫銅、粉紅等顏色，外觀良好。

對(duì)于氮化鈦粉末而言，其一般以添加劑的形式應(yīng)用，按照相應(yīng)的比例在金屬陶瓷中加入氮化鈦粉末，能大幅提升基體硬度與強(qiáng)度。很多學(xué)者對(duì)氮化鈦粉末的碳化鎢性能改善作用進(jìn)行了深入研究，在碳化鎢中適量添加氮化鈦，能使二者性能得以最佳匹配，產(chǎn)出物質(zhì)不僅極具韌性，且耐磨水平大幅提升。

鈷作為國(guó)防與航空領(lǐng)域重點(diǎn)戰(zhàn)略金屬，其在我國(guó)的儲(chǔ)備很低，需從國(guó)外大量進(jìn)口。統(tǒng)計(jì)表明，世界范圍內(nèi)約有10%的鈷會(huì)被用于生產(chǎn)碳化鎢構(gòu)件必須的粘結(jié)材料，這是因?yàn)榇祟悩?gòu)件具備良好抗腐蝕能力，因此被廣泛用于制備刀具。氮、鈦、碳化合物的熔點(diǎn)與耐磨性和碳化鎢十分相似，所以這些化合物能取代鈷用于粘結(jié)劑制備，這樣可有效降低鈷消耗量。氮化鈦粉末在實(shí)際生產(chǎn)中也能用作磨料，在儀器拋光處理中使用[ 3 ]。鋼加工過(guò)程中，氮化鈦與碳氮化鈦粉末所表現(xiàn)出來(lái)的磨削能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人工制備的碳化硅，且工后元件的表面精度極高?？傮w上看，氮化鈦粉末的應(yīng)用程度與其具備的優(yōu)異性能十分不匹配，還有待相關(guān)人員的深入研發(fā)，但從現(xiàn)狀可看出，氮化鈦粉末必將變成未來(lái)的新世紀(jì)材料。

4 結(jié)語(yǔ)

氮化鈦性能優(yōu)異，外觀良好，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。氮化鈦粉末生產(chǎn)方法主要有鈦粉氮化生產(chǎn)法、TiO2碳熱還原生產(chǎn)法、氣相生產(chǎn)法三種，不同生產(chǎn)方法有其各自的優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)，實(shí)際生產(chǎn)中可根據(jù)自身要求妥善選擇。目前的氮化鈦粉末應(yīng)用較為單一，其具備的優(yōu)異性能并未得到充分發(fā)揮，因此仍需進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)，為工業(yè)發(fā)展提供新興材料。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：呂容林（1993-），男，漢族，廣西貴港人，在讀本科生，研究方向：超細(xì)碳氮化鈦粉末的制備。