碳化钛的主要用途是什么？

碳化钛（TiC），CAS号12070-08-5，是一种重要的过渡金属碳化物，化学式为TiC。它由钛和碳原子以近似1:1的原子比形成的立方晶系化合物，具有高熔点（约3160°C）、极高的硬度（维氏硬度HV约3200）和良好的导电性与耐腐蚀性。这些特性使其在高温、高压和磨损环境中表现出色。碳化钛通常通过高温碳化法或化学气相沉积（CVD）等工艺制备，其纯度可达99%以上，广泛应用于工业领域。

1. 硬质合金和切削工具中的添加剂

碳化钛的最主要用途之一是作为硬质合金的增强相，常与钨碳化物（WC）、钴（Co）等材料共混，形成高性能的复合材料。这种合金俗称“硬质合金”或“钨钢”，其中TiC的添加比例通常在10%-30%，显著提升了整体材料的硬度和耐热性。

从化学角度看，TiC的晶格结构稳定，能够有效分散应力和耐受高温氧化。在切削工具领域，如车刀、铣刀和钻头，TiC硬质合金可承受高达1200°C的加工温度，并抵抗砂轮磨料的磨损。例如，在金属加工行业（如汽车零件制造），TiC增强工具能将切削速度提高20%-50%，延长工具寿命达数倍。这不仅源于TiC的莫氏硬度接近9.5（仅次于金刚石），还因为其在高温下不易发生相变或脱碳。工业数据显示，这种应用占TiC总消耗量的约60%，是其经济价值的核心驱动因素。

2. 耐火材料和高温结构部件

碳化钛的另一个关键用途是耐火材料，尤其在冶金和航空航天领域。它常作为炉衬、坩埚或喷嘴的原料，能够承受极端高温而不软化或氧化。TiC的熔点远高于大多数金属，使其成为理想的非氧化环境介质。

在钢铁冶炼中，TiC可掺入氧化锆或氧化铝基耐火砖中，提高抗热震性和抗侵蚀性。例如，电弧炉或感应炉的内衬若添加5%-15%的TiC颗粒，能减少炉壁侵蚀速率达30%，从而延长设备寿命。在航空发动机喷嘴设计中，TiC涂层用于钛合金基体，提供热屏障和机械保护。化学专业视角下，这种用途得益于TiC的低热膨胀系数（约4.5×10⁻⁶/°C）和高热导率（约21 W/m·K），防止热应力导致的裂纹扩展。此外，在核工业中，TiC有时用作燃料颗粒的包壳材料，其化学惰性可防止放射性物质泄漏，确保反应堆的安全运行。

3. 表面涂层和耐磨保护

随着表面工程技术的进步，碳化钛越来越多地应用于薄膜涂层，通过物理气相沉积（PVD）或等离子喷涂工艺，将TiC纳米层（厚度1-10μm）沉积在基材表面。这种涂层显著提升了部件的耐磨性和抗疲劳性能，而不增加过多重量。

在化学工业中，TiC涂层常用于泵阀、搅拌器等设备，抵抗酸碱腐蚀和颗粒磨损。例如，化肥生产中的氨合成装置，若采用TiC涂层合金阀门，其使用寿命可延长2-3倍。TiC的硬度远高于常见金属（如钢的HV约200），且其碳-钛键合能高（约440 kJ/mol），使涂层在摩擦下不易剥落。从专业角度分析，这种应用还涉及TiC的相容性：它与许多金属形成固溶体，增强界面粘附力。在汽车和机床行业，TiC涂层工具已成为标准配置，预计到2030年，此类市场将以年均8%的速度增长。

4. 电子和催化领域的应用

碳化钛的导电性和催化活性使其在新兴高科技领域崭露头角。作为电极材料，TiC可用于超级电容器或燃料电池的集电器，其电导率（约10⁶ S/m）接近金属，且耐电化学腐蚀。在碱性介质中，TiC表面形成的Ti-O-C复合层增强了氧还原反应（ORR）的活性，常作为铂替代品降低成本。

此外，在催化剂载体方面，TiC的二维结构（如MXene衍生物）可负载贵金属纳米粒子，用于氢进化反应（HER）。TiC的表面能较高，便于功能化修饰，但其制备需控制碳源纯度以避免杂相影响性能。这种用途虽目前占比小（约5%），但在绿色能源转型中潜力巨大，如光催化分解水制氢。

总结

碳化钛（TiC）的主要用途主要集中在硬质合金、耐火材料、表面涂层和电子应用，这些领域充分利用了其卓越的物理化学性质。作为一种高性能陶瓷-金属复合材料，TiC不仅推动了制造业的效率提升，还在极端环境中保障了结构完整性。从全球供应链看，中国和欧美是主要生产国，年产量超过5000吨，价格稳定在每公斤50-100美元。未来，随着纳米化和复合技术的深化，TiC的应用将进一步扩展到生物医用（如人工关节涂层）和3D打印领域。对于化学从业者而言，理解TiC的合成-结构-性能关系是优化其工业应用的基石，确保可持续和高值利用。