碳化钽

化合物

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  ✓
12070-07-4((TaC0.5))  ☒N
SMILES
InChI
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 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
ΔfHmo298K −144.1 kJ/mol
So298K 42.29 J/mol·K
热容 36.71 J/mol·K[3]
相关物质
相关化学品 氮化锆英语zirconium nitride
碳化铌英语niobium carbide
碳化锆英语zirconium carbide
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英语cermet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。

制备编辑

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] 但它无法控制产品的化学计量。[6] 通过自蔓延高温合成英语self-propagating high-temperature synthesis已经报道了直接从元素生产TaC的方法。[11]

晶体结构编辑

 
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 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。

性质编辑

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]

应用编辑

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。

天然存在编辑

鉭碳礦英语Tantalcarbide是碳化钽的天然存在形式。它是立方晶系的,并且非常稀有。[19]

参见编辑

参考资料编辑

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 Lide, David R. (编). CRC Handbook of Chemistry and Physics 90th. Boca Raton, Florida: CRC Press英语CRC Press. 2009. ISBN 978-1-4200-9084-0 (英语). 
  2. ^ 2.0 2.1 5196273 [失效連結]
  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)
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  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. ^ 6.0 6.1 Emeléus, Harry. Advances in Inorganic Chemistry and Radiochemistry. Academic Press. 1968: 174–176 [3 May 2011]. ISBN 978-0-12-023611-4. 
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