Was ist Titannitrid?
Titannitrid ist ein bronzefarbener, kristalliner Feststoff.
Titannitrid wird durch Erhitzen von Titanoxid und Kohlenstoff in Stickstoff hergestellt. Auch die Methode der Oberflächenmodifizierung, bei der ein Titansubstrat in einem Stickstoffplasma behandelt wird und Stickstoffionen in die Oberfläche injiziert werden, wird manchmal zur Herstellung von Titannitrid verwendet.
Titannitrid wird häufig als Beschichtungsmaterial verwendet, da sich seine dünnen Schichten durch ihre spektrale Ähnlichkeit mit Gold (Au) auszeichnen, einschließlich ihrer Fähigkeit, Infrarotstrahlung zu reflektieren. Daher haben Beschichtungen aus Titannitrid ein gelbliches Aussehen.
Anwendungen von Titannitrid
Titannitrid verfügt über eine hervorragende Schichthaftung, Verschleißfestigkeit, Korrosions- und Hitzebeständigkeit. Es kann daher in einem breiten Spektrum von Anwendungen als allgemeiner Beschichtungswerkstoff für Hartmetall- und Schneidwerkzeuge, Lebensmittelbehälter und Lebensmittelverarbeitungsanlagen eingesetzt werden.
Die schöne goldene Farbe der Titannitrid-Beschichtung macht sie auch für dekorative Anwendungen geeignet. Sie kann insbesondere auf den Oberflächen von dekorativen Teilen von Elektrowerkzeugfuttern, architektonischen Beschlägen und Ornamenten verwendet werden.
Da Titannitrid ungiftig ist, findet es auch im medizinischen Bereich Anwendung, z. B. bei medizinischen Implantaten, chirurgischen Skalpellen und Knochensägen.
Eigenschaften von Titannitrid
Titannitrid weist eine Härte auf, die der von Diamant nahe kommt. Aufgrund seiner hohen Hitzebeständigkeit und seines hohen Schmelzpunkts ist es chemisch stabil. Es hat eine Vickers-Härte von 2400, einen Elastizitätsmodul von 251 GPa, einen Schmelzpunkt von 2930 °C, einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 9,35 x 10-6K-1 und eine supraleitende Übergangstemperatur von 5,6K.
Titannitrid reflektiert infrarote Strahlung. Sein Reflexionsspektrum ähnelt dem von Gold und verleiht ihm einen Gelbstich. Der Reibungskoeffizient von Titannitrid gegenüber einer ungeschmierten Titannitridoberfläche liegt je nach Substrat und Oberflächenbeschaffenheit bei 0,4-0,9.
Es hat sich gezeigt, dass Titannitrid-Filme von Cooper-Paar-Isolatoren zu Superisolatoren werden, wenn sie auf nahezu den absoluten Nullpunkt abgekühlt werden. Ein Superisolator ist ein Material, bei dem der elektrische Widerstand bei einer bestimmten endlichen Temperatur bei niedrigen Temperaturen unendlich wird und Elektrizität nicht mehr durch das Material fließen kann.
Struktur von Titannitrid
Die chemische Formel von Titannitrid lautet TiN und seine molare Masse beträgt 61 874 g/mol. Die Kristallstruktur von Titannitrid ist annähernd 1:1 stöchiometrisch und hat eine natriumchloridartige Struktur.
Die Koordinationsstruktur ist oktaedrisch. Darüber hinaus sind TiNx-Verbindungen mit x zwischen 0,6 und 1,2 auch thermodynamisch stabil.
Weitere Informationen über Titannitrid.
1. Titannitrid in Meteoriten
In der Natur kommt Titannitrid nur in Meteoriten vor. Insbesondere findet man es in Osborniten.
2. Herstellung von Titannitrid
Die gebräuchlichsten Verfahren zur Herstellung von Titannitrid-Schichten sind die physikalische und die chemische Gasphasenabscheidung (Vapour Deposition). Die physikalische Gasphasenabscheidung ist eine Abscheidungsmethode, bei der dünne Schichten auf der Oberfläche eines Materials gebildet werden.
Ein dünner Film einer Substanz wird auf physikalischem Wege in der Gasphase auf einer Oberfläche abgeschieden. Im Gegensatz dazu ist die chemische Gasphasenabscheidung eine Abscheidungsmethode, bei der dünne Schichten von Stoffen gebildet werden. Durch Zuführung eines Rohstoffgases, das die Bestandteile eines dünnen Films enthält, auf ein in einem Reaktionsrohr aus Quarz oder ähnlichem Material erhitztes Substratmaterial wird durch eine chemische Reaktion ein Film auf der Substratoberfläche oder in der Dampfphase abgeschieden.
Sowohl bei der physikalischen als auch bei der chemischen Abscheidung aus der Dampfphase wird hochreines Titan sublimiert und reagiert mit Stickstoff in einer Hochenergie-Vakuumumgebung. Titannitrid-Schichten können auch durch reaktives Wachstum in einer Stickstoffatmosphäre, z. B. durch Glühen, auf Werkstücken aus Titan hergestellt werden.
3. Reaktionen von Titannitrid
An der Luft oxidiert Titannitrid bei 800 °C. Laborversuche zeigen, dass es bei 20 °C chemisch stabil ist, aber in konzentrierten sauren Lösungen bei hohen Temperaturen langsam korrodieren kann.
Titannitrid ist schwach löslich in Königswasser, Salpetersäure und Flusssäure, aber unlöslich in Wasser.