टैंटलम कार्बाइड

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Tantalum carbide
γ-tantalum carbide in cubic phase
Powder of tantalum carbide
Names
IUPAC name
Tantalum carbide
Other names
Tantalum(IV) carbide
Identifiers
3D model (JSmol)
ChemSpider
EC Number
  • (TaC): 235-118-3
  • (TaC0.5): 235-119-9
UNII
  • (TaC): InChI=1S/C.Ta/q-1;+1
    Key: DUMHRFXBHXIRTD-UHFFFAOYSA-N
  • (TaC0.5): InChI=1S/C.2Ta
    Key: VDBAWDHDCVOEAA-UHFFFAOYSA-N
  • (TaC): [Ta+]#[C-]
  • (TaC0.5): [C].[Ta].[Ta]
Properties
TaC
Molar mass 192.96 g/mol
Appearance Brown-gray powder
Odor Odorless
Density 14.3–14.65 g/cm3 (TaC)
15.1 g/cm3 (TaC0.5)[1]
Melting point 3,768 °C (6,814 °F; 4,041 K)
(TaC)[3]
3,327 °C (6,021 °F; 3,600 K)
(TaC0.5)[1]
Boiling point 4,780–5,470 °C (8,640–9,880 °F; 5,050–5,740 K)
(TaC)[1][2]
Insoluble
Solubility Soluble in HF-HNO3 mixture[1]
Thermal conductivity 21 W/m·K[2]
Thermochemistry
36.71 J/mol·K[4]
42.29 J/mol·K
−144.1 kJ/mol
Related compounds
Related refractory ceramic materials
 Zirconium nitride
Niobium carbide
Zirconium carbide
Except where otherwise noted, data are given for materials in their standard state (at 25 °C [77 °F], 100 kPa).
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टैंटलम कार्बाइड (TaC) अनुभवजन्य सूत्र TaC के साथ टैंटलम और कार्बन के द्विआधारी यौगिक रासायनिक यौगिकों का एक परिवार बनाता है।x, जहां x आमतौर पर 0.4 और 1 के बीच भिन्न होता है। वे धातु विद्युत चालकता के साथ अत्यधिक कठोरता, भंगुर, अपवर्तन (धातु विज्ञान) सिरेमिक सामग्री हैं। वे ब्राउन-ग्रे पाउडर के रूप में दिखाई देते हैं, जिन्हें आमतौर पर सिंटरिंग द्वारा संसाधित किया जाता है।

महत्वपूर्ण तरीके से सर्मेट cermet सामग्री होने के नाते, टैंटलम कार्बाइड का व्यावसायिक रूप से टूल बिट्स में अनुप्रयोगों को काटने के लिए उपयोग किया जाता है और कभी-कभी टंगस्टन कार्बाइड मिश्र धातुओं में जोड़ा जाता है।[5] पहले टैंटलम कार्बाइड के गलनांक का अनुमान लगाया गया था 3,880 °C (4,150 K; 7,020 °F) शुद्धता और माप स्थितियों के आधार पर; यह मान बाइनरी यौगिकों के लिए उच्चतम है।[6][7] और केवल टैंटलम हेफ़नियम कार्बाइड का उच्च गलनांक होने का अनुमान लगाया गया था 3,942 °C (4,215 K; 7,128 °F).[8] हालाँकि नए परीक्षणों ने निर्णायक रूप से सिद्ध किया है कि TaC का वास्तव में 3,768 °C का गलनांक होता है और टैंटलम हेफ़नियम कार्बाइड और हेफ़नियम कार्बाइड दोनों का गलनांक अधिक होता है।[9]


तैयारी

टीएसीx वैक्यूम या अक्रिय-गैस वातावरण (आर्गन) में टैंटलम और ग्रेफाइट पाउडर के मिश्रण को गर्म करके वांछित संरचना के पाउडर तैयार किए जाते हैं। हीटिंग लगभग के तापमान पर किया जाता है 2,000 °C (2,270 K; 3,630 °F) भट्टी या आर्क-मेल्टिंग सेटअप का उपयोग करना।[10][11]एक वैकल्पिक तकनीक के तापमान पर वैक्यूम या हाइड्रोजन वातावरण में कार्बन द्वारा टैंटलम पेंटोक्साइड का प्रगलन है 1,500–1,700 °C (1,770–1,970 K; 2,730–3,090 °F). 1876 ​​में टैंटलम कार्बाइड प्राप्त करने के लिए इस पद्धति का उपयोग किया गया था।[12] लेकिन इसमें उत्पाद के स्टोइकोमेट्री पर नियंत्रण का अभाव है।[7]तत्वों से सीधे टीएसी का उत्पादन स्व-प्रसार उच्च तापमान संश्लेषण के माध्यम से सूचित किया गया है।[13]


क्रिस्टल संरचना

β-TaC0.5 यूनिट सेल के साथ, नीला रंग टैंटलम है

टीएसीx यौगिकों में x = 0.7-1.0 के लिए एक घन क्रिस्टल प्रणाली (रॉक-नमक) क्रिस्टल संरचना होती है;[14] x के साथ जाली पैरामीटर बढ़ता है।[15]टीएसी0.5 दो प्रमुख क्रिस्टलीय रूप हैं। अधिक स्थिर एक में एक एंटी-कैडमियम आयोडाइड-प्रकार की त्रिकोणीय संरचना होती है, जो कार्बन परमाणुओं के लिए लंबी दूरी के क्रम के बिना हेक्सागोनल जाली में लगभग 2,000 डिग्री सेल्सियस तक गर्म होने पर बदल जाती है।[10]

Formula Symmetry Type Pearson symbol Space group No Z ρ (g/cm3) a (nm) c (nm)
TaC Cubic NaCl[15] cF8 Fm3m 225 4 14.6 0.4427
TaC0.75 Trigonal[16] hR24 R3m 166 12 15.01 0.3116 3
TaC0.5 Trigonal[17] anti-CdI2 hP3 P3m1 164 1 15.08 0.3103 0.4938
TaC0.5 Hexagonal[11] hP4 P63/mmc 194 2 15.03 0.3105 0.4935

यहाँ Z प्रति यूनिट सेल में सूत्र इकाइयों की संख्या है, ρ जाली मापदंडों से गणना की गई घनत्व है।

गुण

टैंटलम कार्बाइड में टैंटलम और कार्बन परमाणुओं के बीच का संबंध आयनिक, धातु और सहसंयोजक योगदान का एक जटिल मिश्रण है, और मजबूत सहसंयोजक घटक के कारण, ये कार्बाइड बहुत कठोर और भंगुर पदार्थ हैं। उदाहरण के लिए, TaC की सूक्ष्म कठोरता 1,600–2,000 किग्रा/मिमी है2</उप>[18] (~9 मोह्स) और 285 GPa का इलास्टिक मापांक, जबकि टैंटलम के लिए संगत मान 110 किग्रा/मिमी है2 और 186 जीपीए।[19] टैंटलम कार्बाइड में धात्विक विद्युत चालकता होती है, इसकी परिमाण और तापमान निर्भरता दोनों के संदर्भ में। टीएसी अपेक्षाकृत उच्च संक्रमण तापमान टी के साथ एक अतिचालकता हैC = 10.35 के.[15]

टीएसी के चुंबकीय गुणx x ≤ 0.9 के लिए प्रति-चुंबकीय से बड़े x पर पैरामैग्नेटिक में बदलें। एचएफसी के लिए एक व्युत्क्रम व्यवहार (बढ़ते एक्स के साथ पैरा-डायमैग्नेटिक संक्रमण) देखा गया हैx, इसके बावजूद इसमें TaC के समान क्रिस्टल संरचना हैx.[20]


आवेदन

टैंटलम कार्बाइड का व्यापक रूप से अति-उच्च तापमान सिरेमिक (यूएचटीसी) में सिंटरिंग योजक के रूप में या उच्च-एन्ट्रॉपी मिश्र धातु (एचईए) में सिरेमिक सुदृढीकरण के रूप में पिघलने बिंदु, कठोरता, लोचदार मापांक, तापीय चालकता, थर्मल शॉक में उत्कृष्ट भौतिक गुणों के कारण उपयोग किया जाता है। प्रतिरोध, और रासायनिक स्थिरता, जो इसे एयरोस्पेस उद्योगों में विमान और रॉकेट के लिए एक वांछनीय सामग्री बनाती है।

वांग एट अल। मैकेनिकल अलॉयइंग प्लस रिएक्टिव हॉट-प्रेसिंग सिंटरिंग विधियों द्वारा टीएसी के साथ SiBCN सिरेमिक मैट्रिक्स को संश्लेषित किया है, जिसमें बीएन, ग्रेफाइट और टीएसी पाउडर को बॉल-मिलिंग के साथ मिलाया गया था और पर पाप किया गया था। 1,900 °C (2,170 K; 3,450 °F) SiBCN-TaC सम्मिश्र प्राप्त करने के लिए। संश्लेषण के लिए, बॉल-मिलिंग प्रक्रिया ने अन्य घटकों के साथ प्रतिक्रिया किए बिना टीएसी पाउडर को 5 एनएम तक नीचे परिष्कृत किया, जिससे एग्लोमेरेट्स बनाने की अनुमति मिली जो 100 एनएम-200 एनएम के व्यास वाले गोलाकार समूहों से बने होते हैं। टीईएम विश्लेषण से पता चला है कि टीएसी को मैट्रिक्स के भीतर 10-20 एनएम के आकार के साथ नैनोकणों के रूप में यादृच्छिक रूप से वितरित किया जाता है या बीएन में 3-5 एनएम के छोटे आकार के साथ वितरित किया जाता है। नतीजतन, टीएसी के 10 wt% जोड़ के साथ समग्र ने मैट्रिक्स की फ्रैक्चर टफनेस में सुधार किया, जो 127.9 एमपीए की तुलना में 399.5 एमपीए तक पहुंच गया। यह मुख्य रूप से TaC और SiBCN सिरेमिक मैट्रिक्स के बीच थर्मल विस्तार गुणांकों के बेमेल होने के कारण है। चूँकि TaC में SiBCN मैट्रिक्स की तुलना में थर्मल विस्तार का एक बड़ा गुणांक है, TaC कण तन्यता तनाव को सहन करते हैं जबकि मैट्रिक्स तन्यता तनाव को रेडियल दिशा में और संपीड़ित तनाव को स्पर्शरेखा दिशा में सहन करता है। यह कणों को बायपास करने के लिए दरारें बनाता है और सख्त होने के लिए कुछ ऊर्जा को अवशोषित करता है। इसके अलावा, टीएसी कणों का समान वितरण अनाज के आकार में कमी के कारण हॉल-पेट संबंध द्वारा समझाए गए उपज तनाव में योगदान देता है।[21] वी एट अल। ने निर्वात आर्क मेल्टिंग का उपयोग करते हुए नोवल रिफ्रैक्टरी MoNbRe0.5W(TaC)x HEA मैट्रिक्स को संश्लेषित किया है। एक्सआरडी पैटर्न से पता चला है कि परिणामी सामग्री मुख्य रूप से आधार मिश्र धातु MoNbRe0.5W में एक एकल बीसीसी क्रिस्टल संरचना से बना है और एक बहु-घटक (एमसी) प्रकार कार्बाइड (एनबी, टा, मो, डब्ल्यू) सी एक लैमेलर ईयूटेक्टिक संरचना बनाने के लिए , टीएसी जोड़ के आनुपातिक एमसी चरण की मात्रा के साथ। टीईएम विश्लेषण से पता चला है कि बीसीसी और एमसी चरण के बीच लैमेलर इंटरफ़ेस एक चिकनी और सुडौल आकृति विज्ञान प्रस्तुत करता है जो बिना जाली मिसफिट डिस्लोकेशन के साथ अच्छी बॉन्डिंग प्रदर्शित करता है। नतीजतन, अनाज का आकार टीएसी के बढ़ने के साथ घटता है जो हॉल-पेट संबंध द्वारा समझाया गया उपज तनाव में सुधार करता है। लैमेलर संरचना का निर्माण इसलिए होता है क्योंकि ऊंचे तापमान पर, MoNbRe0.5W(TaC)x सम्मिश्र में अपघटन प्रतिक्रिया होती है: (मो, एनबी, डब्ल्यू, टा) 2 सी → (मो, एनबी, डब्ल्यू, टा) + (मो, एनबी, डब्ल्यू, टा) सी जिसमें रे को चरण आरेखों के अनुसार, बीसीसी चरण पहले और एमसी चरण में न्यूक्लिएट करने के लिए दोनों घटकों में भंग कर दिया गया है।[22] इसके अलावा, बीसीसी चरण की तुलना में एमसी चरण अपनी कड़ी और अधिक लोचदार संपत्ति के कारण कंपोजिट की ताकत में भी सुधार करता है।[23] वू एट अल। बॉल-मिलिंग और सिंटरिंग के साथ टीएसी जोड़ के साथ टीआई (सी, एन) आधारित सिरमेट्स को भी संश्लेषित किया है 1,683 K (1,410 °C; 2,570 °F). टीईएम विश्लेषण से पता चला है कि टीएसी कार्बनिट्राइड चरण के विघटन में मदद करता है और टीएसी-बाइंडर चरण में परिवर्तित हो जाता है। परिणामस्वरूप "ब्लैक-कोर-व्हाइट रिम" संरचना का निर्माण होता है जिसमें 3-5 wt% TaC जोड़ के क्षेत्र में अनाज का आकार घटता है और ट्रांसवर्स रप्चर स्ट्रेंथ (TRS) बढ़ता है। 0-3 wt% TaC क्षेत्र ने TRS में कमी दिखाई क्योंकि TaC जोड़ बाइंडर और कार्बोनाइट्राइड चरण के बीच वेटेबिलिटी को कम करता है और छिद्र बनाता है। आगे 5 wt% से अधिक TaC जोड़ने से भी TRS घट जाता है क्योंकि sintering और सरंध्रता के दौरान TaC ढेर हो जाता है। सबसे अच्छा टीआरएस 5wt% जोड़ पर पाया जाता है जहां कम अनाज सीमा फिसलने के लिए महीन अनाज और सजातीय सूक्ष्म संरचना प्राप्त की जाती है।[24]


प्राकृतिक घटना

टैंटलकार्बाइड टैंटलम कार्बाइड का एक प्राकृतिक रूप है। यह एक घनाकार, अत्यंत दुर्लभ खनिज है।[25]


यह भी देखें

संदर्भ

  1. ↑ 1.0 1.1 1.2 1.3 Lide, David R., ed. (2009). CRC Handbook of Chemistry and Physics (90th ed.). Boca Raton, Florida: CRC Press. ISBN 978-1-4200-9084-0.
  2. ↑ 2.0 2.1 US 5196273, Tsantrizos, Peter; Mavropoulos, Lakis T. & Shanker, Kartik et al., "Tantalum carbide composite materials", published 1993-03-23, assigned to Noranda Inc. 
  3. ↑ Cedillos-Barraza, Omar; Manara, Dario; Boboridis, K.; Watkins, Tyson; Grasso, Salvatore; Jayaseelan, Daniel D.; Konings, Rudy J. M.; Reece, Michael J.; Lee, William E. (2016). "Investigating the highest melting temperature materials: A laser melting study of the TaC-HFC system". Scientific Reports. 6: 37962. doi:10.1038/srep37962. PMC 5131352. PMID 27905481.
  4. ↑ 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) (retrieved 2014-07-02)
  5. ↑ Emsley, John (11 August 2003). Nature's building blocks: an A-Z guide to the elements. Oxford University Press. pp. 421–. ISBN 978-0-19-850340-8. Retrieved 2 May 2011.
  6. ↑ The claim of melting point of 4,000 °C (4,270 K; 7,230 °F) in TaC0.89 is based not on actual measurement but on an extrapolation of the phase diagram, using an analogy with NbC, see Emeléus
  7. ↑ 7.0 7.1 Emeléus, Harry (1968). अकार्बनिक रसायन विज्ञान और रेडियोरसायन में अग्रिम. Academic Press. pp. 174–176. ISBN 978-0-12-023611-4. Retrieved 3 May 2011.
  8. ↑ Agte, C.; Alterthum, H. (1930). "उच्च गलनांक पर कार्बाइड के साथ प्रणालियों पर शोध और कार्बन संलयन की समस्या में योगदान". Zeitschrift für technische Physik. 11: 182–191. ISSN 0373-0093.
  9. ↑ "New record set for world's most heat resistant material".
  10. ↑ 10.0 10.1 Lonnberg, B; Lundstrom, T; Tellgren, R (1986). "A neutron powder diffraction study of Ta2C and W2C". Journal of the Less Common Metals. 120 (2): 239–245. doi:10.1016/0022-5088(86)90648-X.
  11. ↑ 11.0 11.1 Rudy, Erwin; Brukl, C. E.; Windisch, Stephan (1968). "Constitution of Ternary Ta-Mo-C Alloys". Journal of the American Ceramic Society. 51 (5): 239–250. doi:10.1111/j.1151-2916.1968.tb13850.x.
  12. ↑ Joly, A. (1876). "नाइओबियम और टैंटलम के एज़ाइड्स और कार्बाइड्स पर". Compt. Rend. (in français). 82: 1195.
  13. ↑ Shuck, Christopher E.; Manukyan, Khachatur V.; Rouvimov, Sergei; Rogachev, Alexander S.; Mukasyan, Alexander S. (January 2016). "Solid-flame: Experimental validation". Combustion and Flame. 163: 487–493. doi:10.1016/j.combustflame.2015.10.025.
  14. ↑ Lavrentyev, A; Gabrelian, B; Vorzhev, V; Nikiforov, I; Khyzhun, O; Rehr, J (2008). "Electronic structure of cubic HfxTa1–xCy carbides from X-ray spectroscopy studies and cluster self-consistent calculations". Journal of Alloys and Compounds. 462 (1–2): 4–10. doi:10.1016/j.jallcom.2007.08.018.
  15. ↑ 15.0 15.1 15.2 Valvoda, V. (1981). "X-ray diffraction study of Debye temperature and charge distribution in tantalum monocarbide". Physica Status Solidi A. 64 (1): 133–142. Bibcode:1981PSSAR..64..133V. doi:10.1002/pssa.2210640114.
  16. ↑ Yvon, K.; Parthé, E. (1970). "On the crystal chemistry of the close-packed transition-metal carbides. I. The crystal structure of the [zeta]-V, Nb and Ta carbides". Acta Crystallographica Section B. 26 (2): 149–153. doi:10.1107/S0567740870002091.
  17. ↑ Bowman, A. L.; Wallace, T. C.; Yarnell, J. L.; Wenzel, R. G.; Storms, E. K. (1965). "The crystal structures of V2C and Ta2C". Acta Crystallographica. 19: 6–9. doi:10.1107/S0365110X65002670.
  18. ↑ Kurt H. Stern (1996). Metallurgical and Ceramic Protective Coatings. Chapman & Hall.
  19. ↑ Oyama, S. T. (1996-01-31). संक्रमण धातु कार्बाइड और नाइट्राइड की रसायन (in English). Springer Science & Business Media. ISBN 978-0-7514-0365-7.
  20. ↑ Gusev, Aleksandr; Rempel, Andrey; Magerl, Andreas (2001). Disorder and order in strongly nonstoichiometric compounds: transition metal carbides, nitrides, and oxides. Springer. pp. 513–516. ISBN 978-3-540-41817-7. Retrieved 3 May 2011.
  21. ↑ Wang, Bingzhu, et al. "Effects of TaC addition on microstructure and mechanical properties of SiBCN composite ceramics." Ceramics International 45.17 (2019): 22138-22147
  22. ↑ E. Rudy, S. Windisch, C.E. Brukl, Technical Report No. AFML-TR-65-2, Part II, Ternary Phase Equilibria in Transition Metal Boron-carbon-silicon Systems, vol. XVII, 1967
  23. ↑ Wei, Qinqin, et al. "Microstructure evolution, mechanical properties and strengthening mechanism of refractory high-entropy alloy matrix composites with addition of TaC." Journal of Alloys and Compounds 777 (2019): 1168-1175
  24. ↑ Wu, Peng, et al. "Effect of TaC addition on the microstructures and mechanical properties of Ti (C, N)-based cermets." Materials & Design 31.7 (2010): 3537-3541
  25. ↑ Mindat, http://www.mindat.org/min-7327.html
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