碳化钽
碳化钽是一类二元化合物,由钽和碳组成,实验式TaCx,x 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 | |
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IUPAC名 Tantalum carbide | |
别名 | 碳化钽(IV) |
识别 | |
CAS号 | 12070-06-3 12070-07-4((TaC0.5)) |
SMILES |
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InChI |
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InChIKey | DUMHRFXBHXIRTD-UHFFFAOYSA-N |
性质 | |
化学式 | TaC |
摩尔质量 | 192.96 g/mol g·mol⁻¹ |
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(水) | 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 | |
ΔfHm |
−144.1 kJ/mol |
S |
42.29 J/mol·K |
热容 | 36.71 J/mol·K[3] |
相关物质 | |
相关化学品 | 氮化锆 碳化铌 碳化锆 |
若非注明,所有数据均出自一般条件(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]而碳化铪的熔点与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(氩)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的还原。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
当 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 | No | Z | ρ (g/cm3) | a (nm) | c (nm) |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
TaC | 立方 | NaCl[13] | cF8 | Fm3m | 225 | 4 | 14.6 | 0.4427 | |
TaC0.75 | 三方[14] | hR24 | R3m | 166 | 12 | 15.01 | 0.3116 | 3 | |
TaC0.5 | 三方[15] | 反-CdI2 | hP3 | P3m1 | 164 | 1 | 15.08 | 0.3103 | 0.4938 |
TaC0.5 | 六方[9] | hP4 | P63/mmc | 194 | 2 | 15.03 | 0.3105 | 0.4935 |
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的弹性模量,而钽的相应值为110 kg/mm2和186 GPa。碳化钽的硬度,屈服和剪切应力随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
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- 5196273
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- 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
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- Mindat, Tantalcarbide 页面存档备份,存于. [2020-07-27]