氮元素的化學性質非常穩定，但在一些特殊條件下，它可以與很多元素形成氮化物，在這些氮化物中，過渡金屬氮化物——氮化鈦(TiN)成為了國內外研究的焦點。氮化鈦是有著誘人的金黃色、熔點高、硬度大、化學穩定性好、與金屬的濕潤小的結構材料、并具有較高的導電性和超導性，可應用于高溫結構材料和超導材料。

圖1 氮化鈦粉末及鍍氮化鈦的手表部件

1. 氮化鈦的結構及性能

TiN具有典型的NaCl型結構，屬面心立方點陣，面心立方的頂部是氮原子，鈦原子位于面心立方的(1/2,0,0)空間位置。TiN是非化學計量化合物，其穩定的組成范圍為TiN_0.6~TiN_1.16，氮的含量可以在一定的范圍內變化而不引起TiN結構的變化。TiN粉末一般呈黃褐色，超細TiN粉末呈黑色，而TiN晶體呈金黃色。TiN的晶格常數為a=4.23 nm，TiC的晶格常數為a=4.238 nm，TiO的晶格常數為a=4.15 nm，這三種物質的晶格參數非常接近，所以TiN分子中的氮原子可以被氧、碳原子以任意比取代形成固溶體，氮化鈦的理化性質由氮元素的含量來決定，當氮元素含量減少時，氮化鈦的晶格參數反而增大，硬度也會有顯微的增大，但氮化鈦的抗震性隨之降低。

圖2 氮化鈦的晶體結構

氮化鈦的物理性質：熔點2950.6～3205.8℃，線膨脹系數為5.712～7.053×10⁶(1/K)(25℃)，密度為5.435～5.447g/cm³，熱導率為25.081(W·m^-1·K^-1)(300～2000℃)，莫氏硬度為8～9。一般情況下，氮化鈦粉末的顏色為黃褐色，顏色為黑色的是超細氮化鈦粉末，顏色為黃色的是氮化鈦晶體，大量聚集的氮化鈦晶體有金黃色金屬光澤。

氮化鈦的化學性質：比較穩定，與水和酸（鹽酸和硫酸）等均不發生反應，但它能融入氫氟酸，若氫氟酸中含有氧化劑，則氮化鈦會完全溶解在氫氟酸中。氮化鈦溶解在強堿溶液中會分解并釋放出氨氣。

2. 氮化鈦的應用

氮化鈦具有熔點高，化學穩定性好，硬度大，導電、導熱和光性能好等良好的理化性質，使其在各個領域都有著非常重要的用途，尤其是在新型金屬陶瓷領域和代金裝飾領域方面。工業對氮化鈦粉末的需求越來越多，氮化鈦作為涂層價格既低廉又耐磨耐腐蝕，它的好多性能都優于真空涂層。氮化鈦的應用前景非常廣闊。

其主要應用于以下幾個方面：

(1)氮化鈦生物兼容性高，可以應用于臨床醫學和口腔醫學方面。

圖3 氮化鈦用于牙齒種植

(2)氮化鈦摩擦系數較低，可作為高溫潤滑劑。

(3)氮化鈦具有金屬光澤，可作為仿真的金色裝飾材料，在代金裝飾行業中具有良好的應用前景；氮化鈦還可以作為金色涂料應用于首飾行業；可以作為替代WC的潛在材料，使材料的應用成本大幅度降低。

圖4 氮化鈦涂層上色的日用瓷

(4)有超強的硬度和耐磨性，可用于開發新型刀具，這種新型的刀具比普通硬質合金刀具的耐用度和使用壽命都顯著提高。

圖5 鍍氮化鈦的刀具

(5)氮化鈦是一種新型的多功能陶瓷材料。在TiC-Mo-Ni系列的金屬陶瓷中加入一定量的氮化鈦，會使硬質相晶粒顯著細化，從而使陶瓷的理學性能不管是在室溫還是在高溫條件下都有了很大程度的改善，繼而使金屬陶瓷的高溫耐腐蝕性和抗氧化性得到很大提高；將TiN粉末按一定比例添加到陶瓷中，可增強陶瓷的強度、韌性和硬度；將納米氮化鈦添加到TiN/Al₂O₃復相納米陶瓷中，通過各種方法（如機械混合法）等將其混合均勻，得到的這種含有納米氮化鈦顆粒的陶瓷材料內部便形成導電網絡。這種材料可作為電子元件應用于半導體工業中。

(6)在鎂碳磚中添加一定量的TiN，能夠使鎂碳磚的抗渣侵蝕性得到很大程度的提高。

(7)氮化鈦是一種優良的結構材料，可用于噴汽推進器以及火箭等。在軸承和密封環領域也多用氮化鈦合金，凸顯了氮化鈦優異的應用效果。

圖6 氮化鈦合金用于軸承和密封環等

(8)基于氮化鈦優良的導電性能，可做成各種電極以及點觸頭等材料。

(9)氮化鈦的超導臨界溫度較高，可作為優良的超導材料。

(10)氮化鈦的熔點高于大多數過渡金屬氮化物，密度低于大多數金屬氮化物，從而成為一種獨特的耐火材料。

圖7 氮化鈦耐火材料

(11)氮化鈦可以作為一種膜鍍在玻璃上，在紅外線反射率大于75%的情況下，當氮化鈦薄膜厚度大于90nm時，能有效提高玻璃的保溫性能。另外，調整氮化鈦中氮元素的百分含量，可以改變氮化鈦薄膜的顏色，從而達到理想的美觀效果。

3. 氮化鈦的制備

3.1 金屬鈦粉或TiH₂直接氮化法

用鈦粉在氮氣或氫氣氣氛下，于1273~1673K下氮化1~4h，產物粉碎后重復操作幾次，可以得到化學計量的氮化鈦粉，其方程式為：

2Ti+N₂=2TiN

也可以用金屬氫化物TiH₂進行氮化，可在1273K以下反應，其方程式為：

2TiH₂+N₂=2TiN+2H₂

這種方法的優點是操作簡便，可以得到高質量的氮化鈦粉末，但缺點是原料價格太高，不能批量生產，而且這種工藝容易產生粉末燒結現象，以致造成損失。

3.2 TiO₂碳熱還原氮化法

TiO₂的碳熱還原氮化法是以TiO₂為原料，以碳質石墨為還原劑，與N₂反應生成TiN，合成溫度為1380~1800℃，反應時間為15h左右。在此反應環境下碳不僅與氧發生反應，還可與鈦反應生成TiC，因為碳化鈦、氮化鈦和氧化鈦的晶格都非常接近，三者容易生成一種固溶體。

這種方法所得的TiN一般純度不高，O、C含量偏高，為了得到O、C含量偏低的TiN，需要更高的反應溫度和更長的反應時間。

另外，有專家還采用另一種方法，即用鎂粉與氧化鈦在溫度較低的條件下按一定比例混合反應制得氮化鈦。

3.3 微波碳熱還原法

微波碳熱還原法是在較高溫度下，以無機碳為還原劑進行的氧化還原反應。國內劉冰海等人就是采用這種方法制備了氮化鈦粉體。具體操作如下：以氧化鈦為原料，以微波加熱碳直至溫度達到1200℃，在此溫度下保持還原反應1h，便得到氮化鈦粉體。

這種方法制得的氮化鈦粉體與常規方法比較純度較高，并具有合成溫度低（比原來降低100～200℃），周期短（是常規法的1/15）等優點。

3.4 化學氣相沉積法

化學氣相沉積法以氣態的TiCl₄為原料，H₂為還原劑與N₂作用生成TiN，合成溫度為1100~1500℃。金屬、陶瓷表面的涂層多用此工藝，以增強陶瓷和金屬的硬度、耐磨性。

這種合成的TiN純度高，但生產效率低，成本高，該工藝是金屬、陶瓷等物品表面涂覆TiN薄膜，使其美觀的常用方法

3.5 自蔓延高溫合成法

自蔓延高溫合成法又叫燃燒合成法。這種方法是將鈦粉（坯狀）直接在氮氣（限制一定壓力）中點燃，鈦粉在氮氣中燃燒后得到TiN產品。這種工藝在俄羅斯、美國、日本已經得到廣泛的研究并商品化。

國內在這方面的研究報道，王為民等采用了此工藝制備了TiN陶瓷粉末，并研究了壓坯密度、稀釋劑、氮氣分壓等工藝參數對合成的影響。對此工藝進行研究的還有劉素英等人。

3.6 機械合金化法

機械合金化法是將鈦粉置于氨氣或氮氣的體系中，利用高能球磨機使它們在碾磨球強烈碰撞和攪動下相互作用得到納米氮化鈦，這是一種全新的合成方法。在國內，劉志堅等人用TiH_1.924粉代替Ti粉與氮氣反應，采用這種高能球磨工藝，在流動的氨氣中高能球磨100h后，幾乎所有的TiH_1.924全部轉化為TiN，轉化率得到了很大的提高。并且周麗等人后來用同樣的方法制備納米氮化鈦粉體，反應時間僅為9h。

3.7 熔鹽合成法

熔鹽合成法在氮化鈦制備中還沒有相關的報道，但對這種方法進行氮化鈦制備的研究卻是一種很好的研究方向。這種方法是用低熔點的熔鹽作為反應介質，反應物能夠溶解在熔鹽中，整個反應是在原子級環境下完成的，反應完成后，用合適的溶劑將鹽類溶解、過濾即可得到產物。

這種方法得到的產物純度較高，而且操作簡單,反應時間短，對反應溫度也沒有苛刻的要求，產品的形貌和顆粒尺寸容易控制，無團聚現象。

3.8 溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法是將反應物在液相條件下混合均勻，然后進行水解、縮合過程，反應物便在溶液中形成透明的溶膠，此溶膠經過陳化和緩慢聚合過程便形成凝膠，凝膠再經過干燥、固化就得到我們所需的材料。

這種方法在操作過程中所應用的一些有機溶劑有毒副作用，對人體有一定傷害。

參考文獻

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