中国粉体网讯  在各类机械零部件的制造中，都需用刀具进行加工处理。刀具材料的切削性能是决定加工效率、加工质量和加工成本的关键因素之一。WC-Co基硬质合金刀具是目前使用最多的刀具材料。但是，钨、钴为稀有资源，导致WC-Co基硬质合金材料成本较高。

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碳氮化钛材料有熔点高、强度高、耐磨性强、耐腐蚀及抗氧化等优良特性，它兼具了TiC和TiN的优点，除了非常适合高端精密加工和近净成型加工以外，它在保持TiC特点基础上，由于N的引入，TiC脆性特点得到明显改善。在随着N含量增加，其硬度降低，韧性提高。正是由于其优良的综合性能，使得碳氮化钛基陶瓷在切削领域、耐高温材料、量具、石油和化工、钟表外观等领域有了广泛的应用。

碳氮化钛粉体制备

1、高温固溶法

高温固溶法是制备Ti(C，N)粉末的传统方法，通常是由一定量的TiN和TiC粉末均匀混合于1700～1800℃高温下热压固溶形成，或于Ar或N₂气氛中在更高的温度下通过固溶而获得。为了抑制晶粒长大，同时提高粉末活性和烧结性能，也可以适当降低固溶温度。即使降低固溶温度，高温固溶法也存在反应温度过高、能耗大、难以获得高纯粉末、N/C比不易准确控制等缺点。

2、TiN和C粉高温氮化法

高温氮化法通常是以TiN粉末和C粉为原料，混合后在高温和N₂或Ar气氛下进行长时间碳氮化处理，从而获得Ti(C，N)粉体。Frederic等用纳米尺寸的TiN粉末+10wt%的炭黑在Ar气流中于1430℃保温3h，固相合成了Ti(C，N)粉末，展现出规则形状的亚微米颗粒。同样，高温氮化法存在反应温度过高、生产效率低、能耗大、生产成本高等缺点。

3、TiO₂碳热还原氮化法

碳热还原氮化法是以TiO₂和C粉为原料，在N₂中高温还原合成Ti(C，N)粉末的工艺，碳热还原法产物的大小及形貌可通过工艺参数控制，广泛应用于工业大规模生产。

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4、溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法是采用TiO(OH)₂溶胶为Ti源，在液相中将炭黑混合、分散，经过系列反应得到的凝胶在N₂下高温热处理得到Ti(C，N)粉末。有研究者以TiO(OH)₂溶胶与纳米级炭黑混合后形成的凝胶，经干燥后在N₂气氛下1400～1600℃高温反应得到Ti(C_x，N_1-x)，其中1-x=0.2～0.7，Ti(C_x，N_1-x)超细粉末的平均粒径<100nm。通过提高原料C/Ti比、提高反应温度、延长保温时间、降低氮气流量等工艺有利于提高x值。

5、氨解法

氨解法通常是在常温下，将TiCl₄溶入适当的溶剂中并加入添加剂，混合均匀后与NH₃反应，生成Ti的胺基化合物与添加剂的均匀混合中间体，然后中间体与NH₄Cl溶液混合沉淀并除去中间体中的胺，再在真空或Ar气氛下于1200～1600℃热解获得Ti(C，N)粉末。氨解法的特点是制备温度比传统制备方法（高温固溶法，1800℃）低，得到的Ti(C，N)粉末具有比表面积高、粒度小、粒度分布集中和纯度高等优点，但成本较高，工艺过程复杂。

6、高温自蔓延反应法

高温自蔓延反应法是将Ti粉、C粉均匀混合，预压成型得到压坯，然后在含N₂的装置中高温“点燃”反应，从而得到块体产物，通过破碎细化可得到Ti(C，N)粉末。

7、等离子体化学气相沉积法

Ti(C，N)等离子体化学气相沉积法通常是用等离子体激活TiCl₄反应气体，促进其在基体表面或近表面空间进行化学反应，生成Ti(C，N)固态膜的技术。后来为了避免TiCl₄对反应容器的腐蚀和对环境造成污染，常采用无氯的含Ti有机物来取代TiCl₄。这类含Ti有机物主要包括钛酸四甲脂、钛酸四乙脂、四异丙基钛、钛酸四丁脂及氨基钛等。

8、高能球磨诱导自蔓延合成法

高能球磨作为一种粉体加工方法，不仅可以均匀混合并活化粉末从而降低烧结反应温度、促进合金化，还可以在室温下诱导自蔓延反应合成纳米Ti(C，N)粉体。高能球磨诱导自蔓延合成Ti(C，N)技术集粉末混合和反应于一体，克服了传统的高温条件，可直接得到Ti(C，N)粉末。

碳氮化钛的应用

1、Ti(C，N)基金属陶瓷刀具

Ti(C，N)基金属陶瓷是一种非常重要的结构材料，用其制备的刀具与WC基硬质合金相比，加工中显示出较高的红硬性、相近的强度、较低的腐蚀性、导热性和摩擦系数，具有较高的寿命或在寿命相同的情况下可采用较高的切削速度，被加工工件有较好的表面光洁度。据了解，日本的Ti(C，N)基金属陶瓷刀具材料已占其所有刀具材料市场分额的30％以上。

2、Ti(C，N)基金属陶瓷涂层

Ti(C，N)基金属陶瓷可以制成耐磨涂层和模具材料等。Ti(C，N)涂层具有优良的力学及摩擦学性能，作为硬质耐磨涂层，已广泛用于切削刀具、钻头和模具等，具有广阔的应用前景。其制备工艺主要有等离子体化学气相沉积、中温化学气相沉积、传统的CVD方法等。Ti(C，N)基金属陶瓷作模具材料，和模具钢相比，具有无相变、耐高温、摩擦系数低和抗粘着性好的特点，且有一定的强韧性，是一种很有发展潜力的模具材料。

3、复相陶瓷材料

Ti(C，N)可以和其他陶瓷复合形成复合材料，如Ti(C，N)／Al₂O₃、Ti(C，N)／SiC、Ti(C，N)／Si₃N₄、Ti(C，N)／TiB₂等复相陶瓷材料，Ti(C，N)作为增强体可以提高材料的强度、断裂韧性，还可以提高导电性能。

4、耐火材料

非氧化物加入到耐火材料中，会带来一些优良性能。有研究表明，碳氮化钛的存在能明显提高耐火材料的使用性能。

5、合成Ti(C，N)晶须

Ti(C，N)晶须是一种缺陷极少，且有一定长径比的纤维状单晶材料，有强度高、硬度高、热稳定性好等特性。因此，将Ti(C，N)晶须作为强韧化相用在陶瓷基复合材料中具有一定意义。

6、电磁屏蔽材料

早在2011年德雷克塞尔大学首先制备了碳化钛二维材料，并发现这种材料具有许多特殊的性能，包括高强度、高导电性和分子过滤能力。碳化钛的特性是，在当时，它能比任何已知材料更有效地阻挡和吸收电磁干扰，包括目前大多数电子设备中使用的金属箔。

当德雷克塞尔大学继续考察该家族的其他成员时，他们发现了碳氮化钛更优异的特性，使其成为屏蔽电磁干扰的更有前途的候选材料。这也意味着，碳氮化钛可以用来单独涂覆设备内部的组件，以遏制它们的电磁辐射，即使它们被紧密放置在一起。像苹果这样的公司几年来一直在尝试这种遏制策略，但成功率受限于铜箔的厚度。随着设备设计者努力通过将设备变得更小、更不显眼、更集成化来使其无处不在，这种策略很可能成为新的标准。

Ti(C，N)作为一种新型世纪材料，当前其相关研究还只是个开始，在今后必将有更深入广泛的应用。

参考来源：

[1]刘嘉威.碳氮化钛粉末的合成及其成型工艺研究

[2]欧阳柳章等.碳氮化钛合成与制备技术

[3]张士举等.碳热还原法制备碳氮化钛的研究与应用现状

[4]李伟等.碳氮化钛的制备与应用

[5]《科学》杂志

（中国粉体网编辑整理/青黎）

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