氮化钛生产与应用路径邹建新1、氮化钛简介TiN具有典型的NaCI型结构，属面心立方点阵，晶格常数a=0.4241nm，其中钛原子位于面心立方的角顶。TiN是非化学计量化合物，其稳定的组成范围为TiN0.37—TiN1.16，氮的含量可以在一定的范围内变化而不引起TiN结构的变化。TiN粉末一般呈黄褐色，超细TiN粉末呈黑色，而TiN晶体呈金黄色。TiN熔点为2950℃，密度为5.43-5.44g／cm3，莫氏硬度8-9，抗热冲击性好。TiN熔点比大多数过渡金属氮化物的熔点高，而密度却比大多数金属氮化物低，因此是一种很有特色的耐热材料。TiN的晶体结构与TiC的晶体结构相似，只是将其中的C原子置换成N原予。TiN是相当稳定的化合物，在高温下不与铁、铬、钙和镁等金属反应，TiN坩埚在CO与N2气氛下也不与酸性渣和碱性渣起作用，因此TiN坩埚是研究钢液与一些元素相互作用的优良容器。TiN在真空中加热时失去氮，生成氮含量较低的氮化钛。TiN是有着诱人的金黄色、熔点高、硬度大、化学稳定性好、与金属的湿润小的结构材料、并具有较高的导电性和超导性，可应用于高温结构材料和超导材料。2氮化钛粉末的制备方法2.2.1金属钛粉或TiH2直接氮化法直接氮化法是TiN的传统制备方法之一，它是以Ti粉或氢化钛粉为原料，与N2或NH3反应生成TiN粉，合成温度为1000~1400℃。罗锡山采用TiH2粉，在氮气中直接反应合成了TiN；该方法的优点为，在反应过程中无需氢化处理，减少了氢气净化，制得的TiN粉末粒径及组成均匀，杂质含量低。赵阳等将海绵钛破碎到一定尺寸，然后在一定压力和温度下通入氮气氮化，破碎后制得所需粒径的氮化钛。A.S.Bolokang使用直径为45μm的纯钛粉，在充电氩气气氛下，以250rpm的速度球磨12，16和20小时后，对小样进行晶体结构和微观分析发现，最初的球状钛粉经过球磨后变为扁平的薄片，尽管不同时间的球磨并没有使产物的晶体结构变化，但是反应时间的延长，可以增加Ti粉在较低温度下对氮气的吸收和转化；即反应时间越长，转化率越高。但以Ti粉为原料合成TiN，物料温度经常会升至过高，导致生成的TiN烧结或熔融，很难制备出粒度较小的TiN粉末。此外，LipingZhu等以NH4Cl为原料于500~800℃下，在N2和H2混合气体中制备了TiN粉末。分析发现，生成的TiN颗粒粒径在20~33nm之间，表面积为30~60m2/g，温度的升高不利于合成粒径细小的TiN粉末。2.2.2原位氮化法原位氮化法又称氨气氮化法，是将纳米TiO2在氨气气氛下直接氮化合成TiN的一种方法。李景国等人以纳米TiO2为原料，采用氨气氮化法将纳米TiO2粉末放入管式气氛炉中的石英舟中，氨气作还原剂，在不同温度下氮化2~5h，冷却至室温后，制得了最小粒径约为20nm的TiN粉体。该反应需要的温度低，在700℃就能开始转化成TiN，在800℃下氮化5h，纳米TiO2可以全部转化成TiN。张冰等用溶胶–凝胶法合成的纳米TiO2粉体为原料，在氨气中进行原位氮化，合成了粒径约为40nm和80nmTiN纳米粉末，并对其合成温度和时间等反应条件进行了对比分析，结果表明利用原位氮化法制备TiN粉末，其氮化率随温度的提高和反应时间的增大而增大。2.2.3铝热还原法江涛等人按摩尔比为4：3称取Al粉和TiO2粉末，将其充分研磨均匀后装入管式电阻炉不锈钢钢管中，充入Ar-N2混合气体，加热管式炉至所需温度制取钛粉，随后将制备的钛粉合理平均的分布于瓷舟上，放到管式电阻炉内，将管式炉抽真空并充入解压后的NH3，升温至反应温度后制得TiN粉末。甘明亮等人以金属铝粉和钛白粉为原料在行星球磨机中，以无水乙醇为介质在流动氮气氛和匣钵埋碳条件下铝热还原氮化TiO2合成氮化钛，但由于在埋碳条件下铝除参与铝热还原反应外，还与碳粉床中氧发生发应，使参与铝热反应的金属铝不足，造成产物中有金红石的存在。利用铝热还原法还原金红石来制取的氮化钛粉末，含有副产物氧化铝。2.2.4镁热还原法镁热还原TiO2制备TiN是分两步进行，分别为金属钛的还原和氮化。林立采用Mg+C联合还原的方法，在一定的氮气压力和温度下合成了含氧量较低的TiN粉末。JianhuaMa等用金属Mg粉、二氧化钛和氯化铵在高压650℃制备的纳米TiN粒子的平均粒径为30nm，在350℃空气中有良好的热稳定性和抗氧化性。Ti-Mg-O系中，反应达到平衡时，氧在体...
