Карбид тантала
 | |
 | |
| Имена | |
|---|---|
| Название ИЮПАК Карбид тантала | |
| Другие имена Карбид тантала(IV) | |
| Идентификаторы | |
| |
3D model ( JSmol ) |
|
| ХимическийПаук |
|
| Информационная карта ECHA | 100.031.914 |
| Номер ЕС |
|
ПабХим CID | |
| НЕКОТОРЫЙ |
|
Панель управления CompTox ( EPA ) |
|
| Характеристики | |
| ТаС | |
| Молярная масса | 192.96 g/mol |
| Появление | Коричнево-серый порошок |
| Запах | Без запаха |
| Плотность | 14,3–14,65 г/см 3 (ТаС) 15,1 г/см 3 (ТаС 0,5 ) [1] |
| Температура плавления | 3768 ° C (6814 ° F; 4041 К) (ТаС) [3] 3327 ° C (6021 ° F; 3600 К) (ТаС 0,5 ) [1] |
| Точка кипения | 4780–5470 ° C (8640–9880 °F; 5050–5740 К) (ТаС) [1] [2] |
| нерастворимый | |
| Растворимость | Растворим в HF - HNO 3. смеси [1] |
| Теплопроводность | 21 Вт/м·К [2] |
| Термохимия | |
Теплоемкость ( С ) | 36,71 Дж/моль·К [4] |
Стандартный моляр энтропия ( S ⦵ 298 ) | 42,29 Дж/моль·К |
Стандартная энтальпия образование (Δ f H ⦵ 298 ) | −144,1 кДж/моль |
| Родственные соединения | |
Родственные огнеупорные керамические материалы | Нитрид циркония Карбид ниобия Карбид циркония |
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа). | |
Карбиды тантала (TaC) образуют семейство бинарных химических соединений тантала и углерода с эмпирической формулой TaC x , где x обычно варьируется от 0,4 до 1. Это чрезвычайно твердые , хрупкие, тугоплавкие керамические материалы с металлической электропроводностью . Они выглядят как коричнево-серые порошки, которые обычно обрабатывают спеканием .
Являясь важным металлокерамическим материалом, карбиды тантала коммерчески используются в инструментах для резки и иногда добавляются в сплавы карбида вольфрама . [5]
Ранее оценивалось, что температура плавления карбидов тантала составляет около 3880 ° C (4150 K; 7020 ° F) в зависимости от чистоты и условий измерения; это значение является одним из самых высоких для бинарных соединений. [6] [7] И только карбид тантала-гафния , по оценкам, имел более высокую температуру плавления - 3942 ° C (4215 K; 7128 ° F). [8] Однако новые испытания убедительно доказали, что TaC на самом деле имеет температуру плавления 3768 ° C, а карбид тантала-гафния и карбид гафния имеют более высокие температуры плавления. [9]
Подготовка
[ редактировать ]Порошки TaC x заданного состава получают нагреванием смеси порошков тантала и графита в вакууме или атмосфере инертного газа ( аргона ). Нагрев осуществляется при температуре около 2000 ° C (2270 K; 3630 ° F) с использованием печи или установки для дуговой плавки. [10] [11] Альтернативный метод - восстановление пентаоксида тантала углеродом в вакууме или атмосфере водорода при температуре 1500–1700 ° C (1770–1970 К; 2730–3090 ° F). Этот метод был использован для получения карбида тантала в 1876 г. [12] но ему не хватает контроля над стехиометрией продукта. [7] Сообщалось о производстве TaC непосредственно из элементов посредством самораспространяющегося высокотемпературного синтеза . [13]
Кристаллическая структура
[ редактировать ]
Соединения TaC x имеют кубическую (каменную соль) кристаллическую структуру при x = 0,7–1,0; [14] параметр решетки увеличивается с ростом x . [15] TaC 0,5 имеет две основные кристаллические формы. Более стабильный имеет тригональную структуру типа антикадмиевого йодида , которая при нагревании примерно до 2000 °C превращается в гексагональную решетку без дальнего порядка для атомов углерода. [10]
| Формула | Симметрия | Тип | Символ Пирсона | Космическая группа | Нет | С | ρ (г/см 3 ) | а (нм) | с (нм) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ТаС | Кубический | NaCl [15] | cF8 | FM 3 м | 225 | 4 | 14.6 | 0.4427 | |
| ТаС 0,75 | Треугольный [16] | часR24 | Р 3 м | 166 | 12 | 15.01 | 0.3116 | 3 | |
| ТаС 0,5 | Треугольный [17] | анти-CdI 2 | hP3 | П 3 м1 | 164 | 1 | 15.08 | 0.3103 | 0.4938 |
| ТаС 0,5 | Шестиугольный [11] | HP4 | P6 3 /ммц | 194 | 2 | 15.03 | 0.3105 | 0.4935 |
Здесь Z — количество формульных единиц в элементарной ячейке, ρ — плотность, рассчитанная по параметрам решетки.
Характеристики
[ редактировать ]Связь между атомами тантала и углерода в карбидах тантала представляет собой сложную смесь ионных, металлических и ковалентных вкладов, и из-за сильного ковалентного компонента эти карбиды являются очень твердыми и хрупкими материалами. Например, TaC имеет микротвердость 1600–2000 кг/мм. 2 [18] (~9 Мооса ) и модулем упругости 285 ГПа, тогда как соответствующие значения для тантала составляют 110 кг/мм. 2 и 186 ГПа. [19]
Карбиды тантала обладают металлической электропроводностью как по величине, так и по температурной зависимости. TaC — сверхпроводник с относительно высокой температурой перехода TC К. = 10,35 [15]
Магнитные свойства TaC x изменяются от диамагнитных при x ≤ 0,9 до парамагнитных при больших x . Обратное поведение (пара-диамагнитный переход с увеличением x ) наблюдается для HfC x , несмотря на то, что он имеет ту же кристаллическую структуру, что и TaC x . [20]
Приложение
[ редактировать ]Карбид тантала широко используется в качестве спекающей добавки в сверхвысокотемпературной керамике (UHTC) или в качестве керамического армирования в высокоэнтропийных сплавах (HEA) благодаря своим превосходным физическим свойствам в отношении температуры плавления, твердости, модуля упругости, теплопроводности, термического удара. стойкость и химическая стабильность, что делает его желательным материалом для самолетов и ракет в аэрокосмической промышленности.
Ван и др. синтезировали керамическую матрицу SiBCN с добавкой TaC путем механического легирования, а также методами реактивного горячего прессования спекания, в которых порошки BN, графита и TaC смешивались в шаровой мельнице и спекались при 1900 ° C (2170 K; 3450 ° F) для получения SiBCN. -Композиты TaC. Для синтеза порошок TaC измельчали до размера 5 нм, не вступая в реакцию с другими компонентами, что позволило сформировать агломераты, состоящие из сферических кластеров диаметром 100–200 нм. ПЭМ-анализ показал, что TaC распределяется либо случайным образом в виде наночастиц размером 10-20 нм внутри матрицы, либо распределяется в BN с меньшим размером 3-5 нм. В результате композит с добавкой 10 мас.% TaC улучшил вязкость разрушения матрицы, достигнув 399,5 МПа по сравнению с 127,9 МПа исходной керамики SiBCN. В основном это связано с несоответствием коэффициентов теплового расширения керамической матрицы TaC и SiBCN. Поскольку TaC имеет больший коэффициент теплового расширения, чем у матрицы SiBCN, частицы TaC выдерживают растягивающее напряжение, в то время как матрица выдерживает растягивающее напряжение в радиальном направлении и сжимающее напряжение в тангенциальном направлении. Это заставляет трещины обходить частицы и поглощать некоторую энергию для достижения упрочнения. Кроме того, равномерное распределение частиц TaC способствует пределу текучести, объясняемому соотношением Холла-Петча из-за уменьшения размера зерна. [21]
Вэй и др. синтезировали новую огнеупорную матрицу ГЭА MoNbRe0,5W(TaC)x методом вакуумно-дуговой плавки. Рентгенограммы показали, что полученный материал в основном состоит из единой кристаллической структуры ОЦК в базовом сплаве MoNbRe0,5W и многокомпонентного карбида типа (MC) (Nb, Ta, Mo, W)C, образующего пластинчатую эвтектическую структуру. , причем количество фазы MC пропорционально добавлению TaC. ПЭМ-анализ показал, что ламеллярная граница раздела между фазами ОЦК и МК имеет гладкую и изогнутую морфологию, которая демонстрирует хорошее сцепление без дислокаций несоответствия решетки. В результате размер зерна уменьшается с увеличением добавления TaC, что улучшает предел текучести, объясняемый соотношением Холла-Петча. Образование пластинчатой структуры обусловлено тем, что при повышенной температуре в композитах MoNbRe0,5W(TaC)x происходит реакция разложения: (Mo, Nb, W, Ta)2C → (Mo, Nb, W, Ta) + (Mo, Nb, W, Ta)Cв котором Re растворяется в обоих компонентах с образованием сначала фазы BCC, а затем фазы MC, согласно фазовым диаграммам. [22] Кроме того, фаза MC также улучшает прочность композитов благодаря ее более жестким и эластичным свойствам по сравнению с фазой BCC. [23]
Ву и др. также синтезировали керметы на основе Ti (C, N) с добавкой TaC с помощью шаровой мельницы и спекания при 1683 К (1410 ° C; 2570 ° F). ПЭМ-анализ показал, что TaC способствует растворению фазы карбонитрида и превращается в фазу связующего TaC. В результате формируется структура «черное ядро-белый обод» с уменьшением размера зерен в районе 3-5 мас.% добавки TaC и увеличением прочности на поперечный разрыв (TRS). В области 0-3 мас.% TaC наблюдается снижение TRS, поскольку добавление TaC снижает смачиваемость между связующим и карбонитридной фазой и создает поры. Дальнейшее добавление TaC сверх 5 мас.% также снижает TRS, поскольку TaC агломерируется во время спекания и снова образуется пористость. Наилучший TRS достигается при добавке 5 мас.%, где достигаются мелкие зерна и однородная микроструктура для меньшего скольжения по границам зерен. [24]
Естественное явление
[ редактировать ]Танталкарбид — это природная форма карбида тантала. Это кубический, чрезвычайно редкий минерал. [25]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д Лиде, Дэвид Р., изд. (2009). Справочник CRC по химии и физике (90-е изд.). Бока-Ратон, Флорида : CRC Press . ISBN 978-1-4200-9084-0 .
- ^ Перейти обратно: а б США 5196273 , Цантризос, Питер; Мавропулос, Лакис Т. и Шанкер, Картик и др., «Композитные материалы из карбида тантала», опубликовано 23 марта 1993 г., передано Noranda Inc.
- ^ Седильос-Барраса, Омар; Манара, Дарио; Боборидис, К.; Уоткинс, Тайсон; Грассо, Сальваторе; Джаясилан, Дэниел Д.; Конингс, Руди Дж. М.; Рис, Майкл Дж.; Ли, Уильям Э. (2016). «Исследование материалов с самой высокой температурой плавления: исследование лазерного плавления системы TaC-HFC» . Научные отчеты . 6 : 37962. Бибкод : 2016NatSR...637962C . дои : 10.1038/srep37962 . ПМК 5131352 . ПМИД 27905481 .
- ^ Карбид тантала в Линстреме, Питере Дж.; Маллард, Уильям Г. (ред.); Интернет-книга NIST по химии , справочная база данных стандартов NIST № 69 , Национальный институт стандартов и технологий, Гейтерсбург (Мэриленд) (получено 2 июля 2014 г.)
- ^ Эмсли, Джон (11 августа 2003 г.). Строительные блоки природы: путеводитель по элементам от Аризоны . Издательство Оксфордского университета. стр. 421 –. ISBN 978-0-19-850340-8 . Проверено 2 мая 2011 г.
- ^ Заявление о температуре плавления 4000 ° C (4270 K; 7230 ° F) в TaC 0,89 основано не на фактических измерениях, а на экстраполяции фазовой диаграммы с использованием аналогии с NbC, см. Emeléus.
- ^ Перейти обратно: а б Эмелеус, Гарри (1968). Достижения неорганической химии и радиохимии . Академическая пресса. стр. 174–176. ISBN 978-0-12-023611-4 . Проверено 3 мая 2011 г.
- ^ Агте, К.; Альтертум, Х. (1930). «Исследования систем с карбидами при высокой температуре плавления и вклад в проблему плавления углерода». Журнал инженерной физики . 11 :182-191. ISSN 0373-0093 .
- ^ «Новый рекорд для самого термостойкого материала в мире» .
- ^ Перейти обратно: а б Лоннберг, Б; Лундстрем, Т; Теллгрен, Р. (1986). «Исследование нейтронной порошковой дифракции Ta2C и W2C». Журнал менее распространенных металлов . 120 (2): 239–245. дои : 10.1016/0022-5088(86)90648-X .
- ^ Перейти обратно: а б Руди, Эрвин; Брукль, CE; Виндиш, Стефан (1968). «Состав тройных сплавов Ta-Mo-C». Журнал Американского керамического общества . 51 (5): 239–250. дои : 10.1111/j.1151-2916.1968.tb13850.x .
- ^ Жоли, А. (1876). «Об азидах и карбидах ниобия и тантала» . Счет Возвращает. (на французском языке). 82 :1195.
- ^ Шак, Кристофер Э.; Манукян Хачатур В.; Рувимов, Сергей; Рогачев Александр Сергеевич; Мукасян, Александр С. (январь 2016 г.). «Твердое пламя: Экспериментальная проверка» . Горение и пламя . 163 : 487–493. Бибкод : 2016CoFl..163..487S . дои : 10.1016/j.combustflame.2015.10.025 .
- ^ Лаврентьев А; Габрелян, Б; Воржев, В; Никифоров И; Хыжун, О; Рер, Дж (2008). «Электронная структура кубических карбидов HfxTa1–xCy по данным рентгеновской спектроскопии и кластерных самосогласованных расчетов». Журнал сплавов и соединений . 462 (1–2): 4–10. дои : 10.1016/j.jallcom.2007.08.018 .
- ^ Перейти обратно: а б с Вальвода, В. (1981). «Рентгеноструктурное исследование температуры Дебая и распределения заряда в монокарбиде тантала». Физический статус Солиди А. 64 (1): 133–142. Бибкод : 1981ПССАР..64..133В . дои : 10.1002/pssa.2210640114 .
- ^ Ивон, К.; Парте, Э. (1970). «К кристаллохимии плотноупакованных карбидов переходных металлов. I. Кристаллическая структура карбидов [дзета]-V, Nb и Та». Acta Crystallographica Раздел B. 26 (2): 149–153. Бибкод : 1970AcCrB..26..149Y . дои : 10.1107/S0567740870002091 .
- ^ Боуман, Алабама; Уоллес, штат Техас; Ярнелл, Дж.Л.; Венцель, Р.Г.; Штормы, ЕК (1965). «Кристаллические структуры V2C и Ta2C». Акта Кристаллографика . 19 (1): 6–9. Бибкод : 1965AcCry..19....6B . дои : 10.1107/S0365110X65002670 .
- ^ Курт Х. Стерн (1996). Металлургические и керамические защитные покрытия. Чепмен и Холл.
- ^ Ояма, ST (31 января 1996 г.). Химия карбидов и нитридов переходных металлов . Springer Science & Business Media. ISBN 978-0-7514-0365-7 .
- ^ Гусев Александр; Ремпель, Андрей; Магерл, Андреас (2001). Беспорядок и порядок в сильно нестехиометрических соединениях: карбидах, нитридах и оксидах переходных металлов . Спрингер. стр. 513–516. ISBN 978-3-540-41817-7 . Проверено 3 мая 2011 г.
- ^ Ван, Бинчжу и др. «Влияние добавления TaC на микроструктуру и механические свойства композитной керамики SiBCN». Керамика Интернэшнл 45.17 (2019): 22138-22147.
- ^ Э. Руди, С. Виндиш, CE Брукл, Технический отчет № AFML-TR-65-2, Часть II, Тройные фазовые равновесия в системах бор-углерод-кремний переходного металла, том. XVII, 1967 г.
- ^ Вэй, Циньцинь и др. «Эволюция микроструктуры, механические свойства и механизм упрочнения матричных композитов из тугоплавких высокоэнтропийных сплавов с добавкой TaC». Журнал сплавов и соединений 777 (2019): 1168-1175.
- ^ Ву, Пэн и др. «Влияние добавки TaC на микроструктуру и механические свойства керметов на основе Ti (C, N)». Материалы и дизайн 31.7 (2010): 3537-3541.
- ^ Разум, http://www.mind.org/min-7327.html.
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|