Carboneto de tântalo - Tantalum carbide

Carboneto de tântalo

Nomes
Nome IUPAC Carboneto de tântalo
Outros nomes Carboneto de tântalo (IV)
Identificadores
Número CAS
Modelo 3D ( JSmol )
ChemSpider
ECHA InfoCard	100.031.914
Número EC
PubChem CID
UNII
Painel CompTox ( EPA )
InChI (TaC): InChI = 1S / C.Ta / q-1; +1 Chave: DUMHRFXBHXIRTD-UHFFFAOYSA-N (TaC 0,5 ): InChI = 1S / C.2Ta Chave: VDBAWDHDCVOEAA-UHFFFAOYSA-N
SORRISOS (TaC): [Ta +] # [C-] (TaC 0,5 ): [C]. [Ta]. [Ta]
Propriedades
Fórmula química	TaC
Massa molar	192,96 g / mol
Aparência	Pó marrom-acinzentado
Odor	Inodoro
Densidade	14,3-14,65 g / cm 3 (TaC) 15,1 g / cm 3 (TaC 0,5 )
Ponto de fusão	3.850–3.880 ° C (6.960–7.020 ° F; 4.120–4.150 K) (TaC) 3.327 ° C (6.021 ° F; 3.600 K) (TaC 0,5 )
Ponto de ebulição	4.780–5.470 ° C (8.640–9.880 ° F; 5.050–5.740 K) (TaC)
Solubilidade em Água	Insolúvel
Solubilidade	Solúvel na mistura de HF - HNO 3
Condutividade térmica	21 W / m · K
Termoquímica
Capacidade de calor ( C )	36,71 J / mol · K
Entropia molar padrão ( S o 298 )	42,29 J / mol · K
Entalpia de formação padrão (Δ f H ⦵ 298 )	-144,1 kJ / mol
Compostos relacionados
Materiais cerâmicos refratários relacionados	Nitreto de zircônio Carbeto de nióbio Carbeto de zircônio
Exceto onde indicado de outra forma, os dados são fornecidos para materiais em seu estado padrão (a 25 ° C [77 ° F], 100 kPa).
N verificar  (o que é   ?) YN
Referências da Infobox

Os carbonetos de tântalo (TaC) formam uma família de compostos químicos binários de tântalo e carbono com a fórmula empírica TaC _x , onde x geralmente varia entre 0,4 e 1. Eles são materiais cerâmicos refratários extremamente duros , quebradiços e com condutividade elétrica metálica . Eles aparecem como pós marrom-acinzentados, que geralmente são processados ​​por sinterização .

Por serem materiais de cermet importantes , os carbonetos de tântalo são comercialmente usados ​​em ferramentas para aplicações de corte e às vezes são adicionados a ligas de carboneto de tungstênio .

Os pontos de fusão dos carbonetos de tântalo atingem o pico a cerca de 3880 ° C dependendo da pureza e das condições de medição; este valor está entre os mais altos para compostos binários. Apenas o carboneto de háfnio de tântalo pode ter um ponto de fusão ligeiramente superior de cerca de 3942 ° C, enquanto o ponto de fusão do carboneto de háfnio é comparável ao do TaC.

Preparação

Os pós TaC _x da composição desejada são preparados por aquecimento de uma mistura de pós de tântalo e grafite em vácuo ou atmosfera de gás inerte ( argônio ). O aquecimento é realizado a uma temperatura de cerca de 2000 ° C usando um forno ou uma configuração de fusão a arco. Uma técnica alternativa é a redução do pentóxido de tântalo por carbono no vácuo ou atmosfera de hidrogênio a uma temperatura de 1500–1700 ° C. Este método foi utilizado para a obtenção do carboneto de tântalo em 1876, mas carece de controle sobre a estequiometria do produto. A produção de TaC diretamente dos elementos foi relatada por meio da síntese de alta temperatura autopropagada .

Estrutura de cristal

β-TaC _0,5 com a célula unitária, a cor azul é tântalo

Os compostos TaC _x têm uma estrutura cristalina cúbica (sal-gema) para x = 0,7-1,0; o parâmetro de rede aumenta com x . TaC _0,5 possui duas formas cristalinas principais. O mais estável tem uma estrutura trigonal do tipo anti- iodeto de cádmio , que se transforma ao ser aquecida a cerca de 2.000 ° C em uma rede hexagonal sem ordem de longo alcance para os átomos de carbono.

Aqui, Z é o número de unidades da fórmula por célula unitária, ρ é a densidade calculada a partir dos parâmetros de rede.

Propriedades

A ligação entre tântalo e átomos de carbono em carbonetos de tântalo é uma mistura complexa de contribuições iônicas, metálicas e covalentes e, devido ao forte componente covalente, esses carbonetos são materiais muito duros e quebradiços. Por exemplo, TaC tem uma microdureza de 1600–2000 kg / mm ² (~ 9 Mohs) e um módulo de elasticidade de 285 GPa, enquanto os valores correspondentes para tântalo são 110 kg / mm ² e 186 GPa. A dureza, a tensão de escoamento e a tensão de cisalhamento aumentam com o teor de carbono em TaC _x .

Os carbonetos de tântalo possuem condutividade elétrica metálica, tanto em termos de magnitude quanto na dependência da temperatura. TaC é um supercondutor com uma temperatura de transição relativamente alta de T _C = 10,35 K.

As propriedades magnéticas de TaC _x mudam de diamagnética para x ≤ 0,9 para paramagnética para x maior . Um comportamento inverso (transição para-diamagnética com aumento de x ) é observado para HfC _x , apesar de possuir a mesma estrutura cristalina de TaC _x .

Aplicativo

O carboneto de tântalo é amplamente utilizado como aditivo de sinterização em cerâmicas de ultra-alta temperatura (UHTCs) ou como um reforço cerâmico em ligas de alta entropia (HEAs) devido às suas excelentes propriedades físicas no ponto de fusão, dureza, módulo de elasticidade, condutividade térmica, choque térmico resistência e estabilidade química, o que o torna um material desejável para aeronaves e foguetes na indústria aeroespacial.

Wang et al. sintetizaram matriz cerâmica de SiBCN com adição de TaC por métodos de liga mecânica mais sinterização reativa por prensagem a quente, em que os pós de BN, grafite e TaC foram misturados com moagem de bolas e sinterizados a 1900 ° C para a obtenção de compósitos SiBCN-TaC. Para a síntese, o processo de moagem de bolas refinou os pós de TaC até 5 nm sem reagir com outros componentes, permitindo a formação de aglomerados que são compostos por aglomerados esféricos com diâmetro de 100 nm-200 nm. A análise de TEM mostrou que o TaC é distribuído aleatoriamente na forma de nanopartículas com tamanhos de 10-20 nm dentro da matriz ou distribuído em BN com tamanho menor de 3-5 nm. Como resultado, o compósito com adição de 10% em peso de TaC melhorou a tenacidade à fratura da matriz, atingindo 399,5 MPa em comparação com 127,9 MPa da cerâmica SiBCN pura. Isso se deve principalmente à incompatibilidade dos coeficientes de expansão térmica entre a matriz cerâmica TaC e SiBCN. Uma vez que TaC tem um coeficiente de expansão térmica maior do que o da matriz SiBCN, as partículas de TaC suportam tensões de tração enquanto a matriz suporta tensões de tração na direção radial e tensões de compressão na direção tangencial. Isso faz com que as rachaduras ignorem as partículas e absorvam um pouco de energia para obter o endurecimento. Além disso, a distribuição uniforme das partículas de TaC contribui para a tensão de escoamento explicada pela relação Hall-Petch devido a uma diminuição no tamanho do grão.

Wei et al. sintetizaram a nova matriz refratária MoNbRe0.5W (TaC) x HEA usando fusão a arco a vácuo. Os padrões de XRD mostraram que o material resultante é composto principalmente de uma única estrutura cristalina BCC na liga base MoNbRe0.5W e um carboneto do tipo multicomponente (MC) de (Nb, Ta, Mo, W) C para formar uma estrutura eutética lamelar , com a quantidade de fase MC proporcional à adição de TaC. A análise de TEM mostrou que a interface lamelar entre a fase BCC e MC apresenta uma morfologia lisa e curvilínea que exibe boa ligação sem deslocamentos desajustados de rede. Como resultado, o tamanho do grão diminui com o aumento da adição de TaC, o que melhora a tensão de escoamento explicada pela relação Hall-Petch. A formação da estrutura lamelar ocorre porque a temperatura elevada, a reação de decomposição ocorre nos compósitos MoNbRe0,5W (TaC) x: (Mo, Nb, W, Ta) 2C → (Mo, Nb, W, Ta) + (Mo, Nb, W, Ta) C em que Re é dissolvido em ambos os componentes para nuclear a fase BCC primeiro e a fase MC a seguir, de acordo com os diagramas de fase. Além disso, a fase MC também melhora a resistência dos compósitos, devido à sua propriedade mais rígida e elástica em comparação com a fase BCC.

Wu et al. também sintetizaram cermets à base de Ti (C, N) com adição de TaC com moagem de bolas e sinterização a 1683K. A análise de TEM mostrou que o TaC ajuda na dissolução da fase de carbonitreto e converte para a fase de ligante TaC. O resultado é uma formação de estrutura “black-core-white rim” com tamanho de grão decrescente na região de 3-5% em peso de adição de TaC e aumento da resistência à ruptura transversal (TRS). 0-3% em peso da região TaC mostrou uma diminuição no TRS porque a adição de TaC diminui a molhabilidade entre o ligante e a fase de carbonitreto e cria poros. A adição adicional de TaC além de 5% em peso também diminui o TRS porque o TaC se aglomera durante a sinterização e a porosidade se forma novamente. O melhor TRS é encontrado na adição de 5% em peso, onde grãos finos e microestrutura homogênea são obtidos para menos deslizamento de contorno de grão.

Ocorrência natural

Tantalcarbide é uma forma natural de carboneto de tântalo. É um mineral cúbico extremamente raro.

Veja também

• Carboneto de háfnio

Referências