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碳化鉭,TaC 

發布時間:2020/04/08
碳化鉭,TaC


碳化鉭中文字.png


質檢報告--碳化鉭600.png


XRD--碳化鉭600.jpg


微信圖片_20200926111418.png

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中文名稱:碳化鉭
CAS No.:12070-06-3
EINECS號:235-118-3
分子式:CTa
分子量:192.96
熔點:3880℃
硬度:2100HV0.05
晶型:淺棕色金屬狀立方結晶粉末,屬于氯化鈉型立方晶系。
密度:14.3g/cm3
電阻:室溫為30Ω
性質:不溶于水,難溶于無機酸,能溶于氫氟酸和硝酸的混合酸中并可分解??寡趸芰?,易被焦硫酸鉀熔融并分解。
應用:(1)碳化鉭硬度大、熔點高、高溫性能好,主要用作硬質合金添加劑。添加碳化鉭能細化硬質合金的晶粒,是其熱硬度、抗熱沖擊和抗熱氧化等性能得到顯著提高。長期依賴多以單一的碳化鉭添加到碳化鎢(或碳化鎢與碳化鈦)中,與黏結劑金屬鈷混合、成型、燒結生產硬質合金。為了降低硬質合金成本,往往使用鉭鈮復合碳化物,目前主要使用的鉭鈮復合物有:TaC:NbC為80:20及60:40兩種,碳化鈮在復合物中的最高量達到40%(一般認為不超過20%為好)。在硬質合金制作中,TAC主要起著抑制合金晶粒增長、提高合金的紅硬性和耐磨性,增強合金的抗氧化性和耐腐蝕性及改善合金組織結構的作用。在普通鎢鈷和鎢鈷鈦硬質合金中只需加0.3%-0.4%即可,TaC不能單獨被鈷潤濕,需要搭配WC和TiC固溶體。
(2)用于粉末冶金、切削工具、精細陶瓷、化學氣相沉積、硬質耐磨合金刀具、工具、模具和耐磨耐蝕結構部件添加劑,提高合金的韌性。碳化鉭的燒結體顯示金黃色,可作手表裝飾品。
制備方法:
(1)還原法
制備工藝主要為:氧化鉭或碳粉末與碳混合,在高溫、氫氣保護下或真空條件下進行一次及二次碳化生成碳化鉭。需要進行二次碳化的原因是第一次碳化由于多種因素的影響,碳化不徹底,產品中的化合碳、游離碳及雜質等都難達到要求。二次碳化在真空條件下過量的碳與鉭生成碳化物。影響碳化物質量的主要因素有:配碳量、原料粒度與純度、裝料方式、碳化溫度、碳化時間、二次碳化等。上述方法只能制備塊狀或大顆粒狀的TaC。
從工業角度考慮,金屬氧化物的碳熱還原法是使用得最廣泛的一種方法,但其還原溫度在1500℃以上,反應速率十分緩慢,更高溫度反應時TaC顆粒容易長大,降低其力學性能。工業上,利用球磨法制備微米級碳化鉭粉末,方法是將固體碳球和五氧化二鉭混合后放在真空和氬氣氣氛中球磨,在1700℃的高溫下,進行還原和滲碳處理,可以得到粒度尺寸大于2μm的碳化鉭粉末。為了加快反應速度,改善傳統方法的缺陷,微波還原法可以很好地提高粉末擴散速率,使反應溫度降低50-100℃,并縮短處理時間,節省能量,節約成本。其制備工藝為:Ta2O5+碳黑在1250℃-1500℃微波還原,加熱速度大于100℃/min,超過1400℃時,Ta2O5完成轉化為TaC,而沒有生成任何中間相或Ta的低價氧化物。
(2)化合法
化合法是一種常見的固相法制備TaC工藝。在一定的條件下,T啊和C發生化學反應直接生成TaC:Ta(s)+C(s)→TaC(s)
(3)化學氣相沉積法
CVD法制備TaC涂層需要用到源物質-TaCl5。TaCl5在500K時氣化,將氣化了的TaCl5做為氣源倒入CVD爐,與其他導入的還原氣氛一起沉積生成TaC,其反應過程如下:
TaCl5+CmHn+H2→TaC+HCl+H2
貯存條件:惰氣防靜電包裝,應密封保存于干燥、陰涼的環境中,不宜長久暴露于空氣中。

碳化鉭(TaC)是一種超高溫陶瓷材料,所謂超高溫陶瓷(UHTCs)通常指熔點超過3000℃,并在2000℃以上的高溫及腐蝕環境中(如氧原子環境)使用的一類陶瓷材料,如ZrC、HfC、TaCHfB2、ZrB2、HfN等。碳化鉭熔點高達3880℃,具有高硬度(莫氏硬度9~10)、較大的導熱系數(22W·m-1·K-1)、較大的抗彎強度(340~400MPa),以及較小的熱膨脹系數(6.6×10-6K-1),并展現出優良的熱化學穩定性和優異的物理性能,與石墨及C/C復合材料具有良好的化學相容性和力學相容性,因此TaC涂層被廣泛應用于航空航天熱防護、單晶生長、能源電子,以及醫療器械等領域。

圖片1.png

應用領域:

1)TaC具有優良的熱化學穩定性和優異的物理性能,且與石墨具有良好的化學相容性和力學相容性,在石墨表面制備TaC涂層,可以有效增強其抗氧化、抗腐蝕、耐磨及力學性能等。尤其適用于MOCVD設備生長GaN或AlN單晶和PVT設備生長SiC單晶,所生長的單晶質量得到明顯提高。由于TaC涂層對H2,HCl,NH3具有優異的耐酸堿性,在碳化硅半導體產業鏈中,TaC還可在MOCVD等外延處理過程中完全保護石墨基體材料,凈化生長環境。

2)多孔碳化鉭陶瓷可更好的實現氣相組元過濾,調整局部溫度梯度,引導物質流方向,控制泄漏等。

3)隨著現代飛行器如航空航天器、火箭、導彈向著高速、高推力、高空的方向發展,對其表面材料在極端條件下的耐高溫性和抗氧化性要求也越來越高。飛行器進入大氣層時面臨著熱流密度高、駐點壓力大和氣流沖刷速度快等極端環境,同時面臨著與氧氣、水蒸氣和二氧化碳反應而產生的化學燒蝕。在飛行器飛出和飛入大氣層時,其頭錐和機翼周圍的空氣會受到劇烈壓縮而與飛行器表面產生較大的摩擦,導致其表面受氣流流動加熱。飛行器表面除了在飛行過程中受氣動加熱外,還會在飛行過程中受到太陽輻射、環境輻射等的影響,使飛行器的表面溫度不斷升高,這一變化會嚴重影響飛行器的服役狀況。TaC是耐超高溫陶瓷家族的一員,高的熔點和出色的熱力學穩定性使TaC廣泛應用于飛行器熱端部位,例如可以對火箭發動機噴管的表面涂層起到保護作用。

4)TaC還在切削工具、研磨材料、電子材料以及催化劑等領域具有廣泛應用前景。例如,將TaC添加在硬質合金中可以阻止硬質合金的晶粒生長,提高硬質合金的硬度,改善其使用壽命;TaC具有良好的導電性,并且可以組成非化學計量化合物,導電性隨組分不同而產生變化,這種特性使TaC在電子材料領域具有誘人的應用前景;在TaC的催化脫氫方面,有研究者對TiC、TaC的催化性能研究表明,在較低溫度下,TaC基本沒有催化活性,但在高于1000℃時,其催化活性明顯升高。對于CO的催化性能方面的研究發現,300℃時TaC的催化產物有甲烷、水以及少量的烯烴。




碳化鉭 相圖.png


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