碳化钽

碳化钽是一类二元化合物,由组成,实验式TaCxx 一般在 0.4 到1 之间。它们的硬度极大,脆,是耐火材料,具有金属的电导率。它是一种棕灰色粉末,通常通过烧结处理。

碳化钽
IUPAC名
Tantalum carbide
别名 碳化钽(IV)
识别
CAS号 12070-06-3  checkY
12070-07-4((TaC0.5))  ☒N
SMILES
 
  • [Ta+]#[C-]
InChI
 
  • 1S/C.Ta/q-1;+1
InChIKey DUMHRFXBHXIRTD-UHFFFAOYSA-N
性质
化学式 TaC
192.96 g/mol g·mol¹
外观 棕灰色粉末
氣味 无臭
密度 14.3–14.65 g/cm3 (TaC)
15.1 g/cm3 (TaC0.5)[1]
熔点 3,850—3,880 °C(4,120—4,150 K)(TaC)[2]
3,327 °C(6,021 °F;3,600 K)
(TaC0.5)[1]
沸点 4,780—5,470 °C(5,050—5,740 K)(TaC)[1][2]
溶解性 不溶
溶解性 可溶于HF-HNO3的混合物[1]
熱導率 21 W/m·K
热力学
ΔfHm298K −144.1 kJ/mol
S298K 42.29 J/mol·K
热容 36.71 J/mol·K[3]
相关物质
相关化学品 一氮化锆
碳化铌
碳化锆
若非注明,所有数据均出自标准状态(25 ℃,100 kPa)下。

作为重要的金属陶瓷材料,碳化钽在商业车刀中用于切削应用,有时会添加到碳化钨合金中。[4]

取决于纯度和测量条件,碳化钽的熔点在约3880℃达到峰值。这个值是二元化合物里最高的。[5][6]只有碳化钽铪的熔点可能略高,大约为3942°C,[7]碳化铪的熔点与TaC相当。

制备

TaCx粉末是由钽和石墨的粉末在真空或惰性气体()里使用炉子或电弧熔化装置在约2000℃的温度下进行加热。[8][9]钽和石墨的量决定了x的值。另一种技术是在真空或氢气气氛中,在1500–1700℃的温度下通过碳进行五氧化二钽还原。该方法于1876年用于获得碳化钽,[10]但它无法控制产物的化学计量。[6]自蔓延高温合成法也是已报道的直接从单质制备TaC的方法之一。[11]

晶体结构

β-TaC0.5 的晶体结构,蓝色的是钽原子

x = 0.7–1.0 时,TaCx有着立方结构 (岩盐的结构) 。[12]碳化钽的晶格常数会随着x增长而增长。[13] TaC0.5有两种结构。较稳定的具有反碘化镉型三角结构,该结构在加热至约2000℃时转变为六方晶格,对碳原子来说已经没有规律了。[8]

实验式对称性种类皮尔逊符号空间群NoZρ (g/cm3)a (nm)c (nm)
TaC立方NaCl[13]cF8Fm3m225414.60.4427
TaC0.75三方[14]hR24R3m1661215.010.31163
TaC0.5三方[15]反-CdI2hP3P3m1164115.080.31030.4938
TaC0.5六方[9]hP4P63/mmc194215.030.31050.4935

在这个表中,Z是每单位的配位数,ρ是由晶格常数计算而来的密度。

性质

碳化钽中钽和碳原子之间的键是离子键,金属键和共价键混合,是很复杂的键,并且由于强共价成分,这些碳化物是非常坚硬且易碎的材料。举个例子,TaC的显微硬度为1600-2000 kg/mm2 [16](〜9 Mohs)和285 GPa弹性模量,而钽的相应值为110 kg/mm2和186 GPa。碳化钽的硬度,屈服剪切应力随TaCx中碳含量的增加而增加。[17]

碳化钽无论是什么大小和温度都具有金属导电性。TaC 可以在10.35 K以下转变为超导体[13]

TaCx的磁性能从x≤0.9的反磁性变为“ x”≥0.9的顺磁性。尽管HfCx具有与TaCx相同的晶体结构,但仍观察到了相反的行为(磁性随x的增加而减少)。[18]

应用

碳化钽因其在熔点、硬度、弹性模量、导热性、热冲击方面的优异物理性能而被广泛用作超高温陶瓷(UHTC)的烧结添加剂或高熵合金(HEA)的陶瓷增强材料抵抗力和化学稳定性,这使其成为航空航天工业中飞机和火箭的理想材料。

天然存在

鉭碳礦是碳化钽的天然存在形式。它属立方晶系,并且非常稀有。[19]

参见

参考资料

  1. Lide, David R. (编). 90th. Boca Raton, Florida: CRC Press. 2009. ISBN 978-1-4200-9084-0 (英语).
  2. 5196273
  3. Tantalum carbide in Linstrom, Peter J.; Mallard, William G. (eds.); NIST Chemistry WebBook, NIST Standard Reference Database Number 69, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg (MD), http://webbook.nist.gov (retrieved 2014-07-02)
  4. Emsley, John. . Oxford University Press. 11 August 2003: 421 [2 May 2011]. ISBN 978-0-19-850340-8.
  5. TaC0.89中4000°C的熔点声称不是基于实际测量,而是基于相图的推断,使用与NbC的类比,请参见Emeléus
  6. Emeléus, Harry. . Academic Press. 1968: 174–176 [3 May 2011]. ISBN 978-0-12-023611-4. (原始内容存档于2017-03-24).
  7. Agte, C.; Alterthum, H. . Zeitschrift für technische Physik. 1930, 11: 182–191. ISSN 0373-0093.
  8. Lonnberg, B; Lundstrom, T; Tellgren, R. . Journal of the Less Common Metals. 1986, 120 (2): 239–245. doi:10.1016/0022-5088(86)90648-X.
  9. Rudy, Erwin; Brukl, C. E.; Windisch, Stephan. . Journal of the American Ceramic Society. 1968, 51 (5): 239–250. doi:10.1111/j.1151-2916.1968.tb13850.x.
  10. Joly, A. . Compt. Rend. 1876, 82: 1195 [2020-07-14]. (原始内容存档于2020-07-16) (法语).
  11. Shuck, Christopher E.; Manukyan, Khachatur V.; Rouvimov, Sergei; Rogachev, Alexander S.; Mukasyan, Alexander S. . Combustion and Flame. January 2016, 163: 487–493. doi:10.1016/j.combustflame.2015.10.025.
  12. Lavrentyev, A; Gabrelian, B; Vorzhev, V; Nikiforov, I; Khyzhun, O; Rehr, J. . Journal of Alloys and Compounds. 2008, 462 (1–2): 4–10. doi:10.1016/j.jallcom.2007.08.018.
  13. Valvoda, V. . Physica Status Solidi A. 1981, 64: 133–142. doi:10.1002/pssa.2210640114.
  14. Yvon, K.; Parthé, E. . Acta Crystallographica Section B. 1970, 26 (2): 149–153. doi:10.1107/S0567740870002091.
  15. Bowman, A. L.; Wallace, T. C.; Yarnell, J. L.; Wenzel, R. G.; Storms, E. K. . Acta Crystallographica. 1965, 19: 6–9. doi:10.1107/S0365110X65002670.
  16. Kurt H. Stern (1996). Metallurgical and Ceramic Protective Coatings. Chapman & Hall.
  17. Oyama, S. Ted. . Springer. 1996: 29–30 [3 May 2011]. ISBN 978-0-7514-0365-7. (原始内容存档于2020-07-14).
  18. Gusev, Aleksandr; Rempel, Andrey; Magerl, Andreas. . Springer. 2001: 513–516 [3 May 2011]. ISBN 978-3-540-41817-7. (原始内容存档于2020-08-11).
  19. Mindat, Tantalcarbide 页面存档备份,存于. [2020-07-27]
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