碳化钛（TiC，CAS号12070-08-5）是一种重要的过渡金属碳化物材料，以其卓越的硬度和耐高温性能在材料科学领域备受关注。
碳化钛是一种灰黑色的陶瓷-like材料，化学式为TiC，具有典型的NaCl型面心立方晶体结构。这种结构赋予了它高硬度（维氏硬度约HV 2800-3200）和极高的熔点（约3067°C）。其密度约为4.93 g/cm³，热导率高达21-70 W/(m·K），而电导率类似于金属（约26 × 10⁶ S/m）。这些性质源于钛和碳原子的强共价-金属键合，使TiC在高温下保持结构稳定性。
从化学角度看，碳化钛对氧化有一定抵抗力，但不如一些氧化物陶瓷耐腐蚀。它通常通过高温合成方法制备，如碳热还原TiO₂或化学气相沉积（CVD）。TiC的碳含量可略有变化（理想为50 at.%），这会影响其机械性能：碳富相增强硬度，而钛富相则提高韧性。
与其他硬质材料的结构比较
硬质材料的晶体结构是其性能差异的根本原因。碳化钛的NaCl型结构是一种离子-共价混合键，与其他材料形成鲜明对比：
- 碳化硅（SiC）：SiC具有六方或立方晶型（如α-SiC或β-SiC），键合类型为强共价键。这种结构使SiC的热膨胀系数较低（约4.0 × 10⁻⁶/K），优于TiC（约7.5 × 10⁻⁶/K）。SiC的硬度略高于TiC（HV 2800-3500），但其脆性更强，断裂韧性仅为2-4 MPa·m¹/²，而TiC可达3-5 MPa·m¹/²。
- 碳化钨（WC）：WC是六方晶系的共价-金属复合物，常与钴粘结形成硬质合金。WC的结构更致密，密度高达15.6 g/cm³，远高于TiC的4.93 g/cm³。这导致WC在重载应用中更耐冲击，但TiC的低密度使其更适合航空航天轻质部件。
- 氧化铝（Al₂O₃）：Al₂O₃为六方密排的离子晶体，键合纯离子型。它的熔点（约2072°C）低于TiC，且硬度（HV 2000-2200）较弱。但Al₂O₃的化学稳定性极高，能耐酸碱腐蚀，而TiC在高温氧化环境中需额外保护涂层。
- 立方氮化硼（c-BN）：c-BN是金刚石型的sp³共价网络结构，硬度接近金刚石（HV 4500-5000），远超TiC。但c-BN的合成需高压高温（HPHT），成本高昂，且其热导率（约130 W/(m·K)）高于TiC，但电绝缘性强，不如TiC导电。
总体而言，TiC的金属-like键合使其在硬度和导电性之间取得平衡，而其他材料或偏向纯共价（SiC、c-BN）或离子键（Al₂O₃），影响了它们的综合性能。
物理化学性能的区别
在性能上，碳化钛与其他硬质材料的主要区别体现在硬度、耐热性、韧性和化学稳定性上。以下通过关键参数比较（数据基于标准文献，如ASM Handbook）：
| 材料 | 维氏硬度 (HV) | 熔点 (°C) | 密度 (g/cm³) | 断裂韧性 (MPa·m¹/²) | 氧化起始温度 (°C) |
|---|---|---|---|---|---|
| TiC | 2800-3200 | 3067 | 4.93 | 3-5 | 800-1000 |
| SiC | 2800-3500 | 2700 | 3.21 | 2-4 | >1400 |
| WC | 1500-2500* | 2870 | 15.6 | 8-12 | 600-800 |
| Al₂O₃ | 2000-2200 | 2072 | 3.98 | 3-4 | >1500 |
| c-BN | 4500-5000 | >3000 | 3.48 | 5-10 | >1200 |
*WC硬度指纯WC，粘结后降低。
- 硬度和耐磨性：TiC的硬度介于Al₂O₃和c-BN之间，优于WC（尤其是复合WC）。其耐磨性能在金属基复合材料中突出，常用于刀具涂层，而SiC更适合磨料应用。
- 高温性能：TiC的熔点最高，仅次于c-BN，能在2000°C以上保持强度。这使其区别于Al₂O₃，后者在高温下易发生晶界滑移导致失效。SiC虽耐氧化，但热冲击抵抗力弱于TiC。
- 机械韧性：TiC的韧性高于SiC和Al₂O₃，但不如WC复合物。这是因为TiC的金属键允许微裂纹钝化，而纯共价材料易碎裂。
- 化学稳定性：TiC对盐酸和氢氟酸敏感，但耐硫酸。在氧化氛围中，TiC形成TiO₂保护层，但不如Al₂O₃或SiC稳定。WC易被碱腐蚀，c-BN则高度惰性但加工困难。
这些区别源于键合类型：TiC的共价-金属混合键提供良好平衡，而SiC的纯共价键增强了热稳定性但牺牲韧性。
合成与应用领域的差异
合成方法是另一个关键区别。TiC常通过粉末冶金或CVD制备，碳源如石墨与Ti粉在1400-1800°C反应，过程相对简单且成本低。相比之下：
- SiC需Carbothermal还原（SiO₂ + C → SiC），温度更高（>2000°C），产物纯度依赖原料。
- WC通过钨酸与碳还原，需氢气氛围，避免氧化。
- Al₂O₃多为贝耶尔法工业生产，易规模化。
- c-BN依赖高压（5-6 GPa），不适合大规模生产。
在应用上，TiC的导电性和低密度使其独特：
- 切削工具：TiC用于TiC-NiMo复合刀具，取代部分WC，因其更轻且硬度相当。WC主导高速钢工具，但TiC在精密加工中更耐热。
- 耐磨涂层：TiC涂层（如PVD/CVD）应用于涡轮叶片，优于Al₂O₃涂层的高温蠕变抵抗。SiC涂层用于半导体，但TiC更适合金属基体。
- 结构材料：TiC增强钢或钛合金，用于航天部件，低密度区别于高密WC。c-BN限于地质钻探，而Al₂O₃广泛用于绝缘体。
- 新兴应用：TiC在电池电极（如Li-ion）中作为导电添加剂，SiC则用于功率电子。TiC的金属特性使其在电化学环境中更有优势。
结论
碳化钛与其他硬质材料的区别在于其独特的共价-金属键合结构，这赋予了它硬度、耐热性和导电性的优异平衡。尽管SiC和Al₂O₃在氧化稳定性上更胜一筹，WC在韧性上领先，c-BN在硬度上无可匹敌，但TiC的低密度和多功能性使其在现代工程中不可或缺。在选择材料时，综合考虑具体环境，如高温氧化或电导需求。通过这些比较，可以看到硬质材料的多样性，推动了材料科学的持续创新。