它集先进陶瓷优点于一身，专门服役于极端环境！

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（来源：新型陶瓷）

碳氮化钛（Ti(C,N)）粉末是由TiC和TiN这两种不同的化合物在一定条件下连续固溶形成的单相固溶体。碳氮化钛（Ti(C,N)）基金属陶瓷是在WC-Co基硬质合金和TiC基金属陶瓷的基础上发展起来的一种复合材料，是先进陶瓷家族中一种重要的高性能材料。

100-300nm碳氮化钛粉体电镜图（图源：长玉特陶）

碳氮化钛基金属陶瓷具有高硬度、高熔点，良好的耐磨性、腐蚀性、化学稳定性及导电导热性等优异性能，堪称“集先进陶瓷优点于一身”，广泛应用于精密加工刀具（工具陶瓷）、耐磨部件、高温结构件（结构陶瓷）以及耐磨涂层等领域，是服役于极端环境中的关键材料。

Ti-与WC等硬质材料性能对比

碳氮化钛制备技术研究

技术优缺点对比

近年来，Ti(C,N)粉末制备技术快速发展，已经形成了机械合金化法、氨解法、碳热还原氮化法、溶胶-凝胶法以及自蔓延高温合成等多种成熟工艺，不同制备方法各有优劣。

机械合金化法工艺简单适合批量生产，但易引入杂质且粉体形貌均匀性较差。

碳热还原氮化法原料成本低，是最具工业化潜力的制备路线，但合成温度偏高，粉体晶粒容易长大。

溶胶-凝胶法可以获得组分均匀、粒径细小的超细粉体，但工艺流程繁琐，易出现粉体团聚，工业放大生产仍存在挑战。

硬度、强度、韧性协同提升

Ti(C,N)基金属陶瓷由碳氮化合物颗粒硬质相和金属黏结相构成，其中硬质相占比达15%~85%，为材料提供了高硬度和耐磨性。然而，与传统的WC硬质合金相比，Ti(C,N)基金属陶瓷虽然硬度高，但其脆性大、强度和韧性低，极大地限制了其作为结构材料的应用，因此只能有限地用作WC-Co硬质合金的替代品。

兆强钛磁科技）

研究证实，高质量TiC/N粉体是制备高性能材料的基础。

根据Hall-Petch关系，材料的强度与晶粒尺寸平方根成反比。当硬质相细化到一定程度，特别是当晶粒细化至纳米尺度（<100nm）时，Ti(C,N)基金属陶瓷的抗弯强度可提升30%以上，同时硬度和强度也能得到提高，从而可以通过细化晶粒获得硬度、强度、韧性三高的合金材料。国内外研究人员经过大量实验，发现采用粒径小于1μm的亚微米级至纳米级Ti(C,N)陶瓷粉末作为原料，能显著提升Ti(C,N)基金属陶瓷的综合性能。

由于Ti(C,N)是非化学计量比的化合物（TiCx，x=0.47~1.00；TiNy，y=0.6~1.2），在非化学计量比内仍然可以保持面心立方结构。然而，只有在近化学计量比（x=y≈1）时Ti(C,N)才能呈现出最高的熔点、最大的硬度、以及最优的热导率和电导率。因此，高质量Ti(C,N)粉体通常需要满足近化学计量比要求。

此外，对于烧结制备高温结构陶瓷，Ti(C,N)粉体通常还需要满足粒径小（0.1~2.0μm），纯度高（氧杂质的质量分数小于0.3%、游离碳的质量分数小于0.1%、金属杂质和非金属杂质含量均小于100μg/g），流动性好等要求。

碳氮化钛未来研究方向

目前，超细/纳米Ti(C,N)粉末的合成研究虽取得一定进展，但在工业化推广应用中仍面临诸多瓶颈，优质Ti(C,N)粉末的开发深度与应用适配性仍有较大提升空间。

结合国内外Ti(C,N)粉末制备技术的发展趋势，未来研究可聚焦于以下方向：

1）碳热还原氮化法虽为目前工业大规模生产的主流方法，但仍存在能耗大、粒度不均等问题。未来可探索采用高能球磨、纳米级原料等预处理手段，优化工艺条件，以大幅降低能耗。此外，将该方法应用于多元复合固溶体粉末生产，通过引入不同合金元素调控粉末化学成分与晶体结构，可为新型高性能材料开发奠定关键基础。

2）尽管现有方法能够制备出纳米级Ti(C,N)粉末，但晶粒团聚、粒度分布不均等问题依旧突出。可引入表面活性剂、模板剂或辅助技术（如等离子体、激光诱导等），抑制晶粒团聚与粗化，实现纳米晶尺寸的精准调控与均匀分散，进而制备出性能优异、质量稳定的超细/纳米Ti(C,N)粉末。

3）单一的合成方法都存在各自的局限性，难以满足高性能纳米Ti(C,N)粉末工业化生产的需求。因此，应充分结合多种方法的优势，构建高效、稳定的复合合成工艺，批量制备出具有优异综合性能的Ti(C,N)粉末，以推动Ti(C,N)基金属陶瓷在高端装备制造、航空航天、电子信息等领域的广泛应用，对推动该领域发展具有深远意义和巨大价值。

(C,N)基金属陶瓷制品（图源：兆强钛磁科技）

碳氮化钛应用研究

切削刀具材料

Ti(C,N)作为硬质相，与Co、Ni等金属黏结相复合，能够显著提高刀具的耐磨性，同时Ti(C,N)基金属陶瓷的高温硬度比WC-Co硬质合金的高，而韧性又比陶瓷刀具材料好，其出现填补了WC-Co硬质合金与陶瓷刀具材料之间的材质空白，因而在刀具领域的使用日益广泛。

耐磨部件

由于Ti(C,N)基金属陶瓷具的强度高、耐磨性好，因此也可以应用于耐磨材料领域。

耐高温部件

由于Ti(C,N)基金属陶瓷具有优异的高温抗氧化性性能，因此也常常被应用于耐高温部件领域。

耐腐蚀涂层

作为涂层材料，Ti(C,N)可提高基体的耐磨性和耐腐蚀性，广泛应用于机械、航空等领域。通过物理气相沉积或化学气相沉积在基体材质表面沉积Ti(C,N)涂层，可以显著延长材料的使用寿命。

其他领域

Ti(C,N)基金属陶瓷除了以上的应用领域，还可以作为功能薄膜与电子器件用于制造高导电、高硬度的电子元件，如电极和传感器；也可以在新能源领域作为质子交换膜燃料电池的双极板涂层，提升耐腐蚀性；若将Ti(C,N)涂层用于骨科植入材料，则有可能因为其兼具耐磨性和生物惰性而具有良好的生物服役性能。

结语

碳氮化钛，叠加了一身先进陶瓷材料的优点，它究竟能否续写先进陶瓷“家族”辉煌的未来呢？

参考文献：

刘超：碳氮化钛粉末的制备及应用研究进展

陈力发：超细/纳米碳氮化钛粉末制备技术研究进展，四川轻化工大学

向茂乔:碳/氮化钛粉体制备技术，中国科学院过程工程研究所