Los carburos de tantalio (TaC) forman una familia de compuestos químicos binarios de tantalio y carbono con la fórmula empírica TaC x , donde x suele variar entre 0,4 y 1. Son materiales cerámicos refractarios extremadamente duros , quebradizos y con conductividad eléctrica metálica . Aparecen como polvos de color marrón grisáceo, que generalmente se procesan mediante sinterización .
Nombres | |
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Nombre IUPAC Carburo de tantalio | |
Otros nombres Carburo de tantalio (IV) | |
Identificadores | |
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Modelo 3D ( JSmol ) | |
Tarjeta de información ECHA | 100.031.914 |
Número CE |
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UNII | |
Tablero CompTox ( EPA ) | |
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Propiedades | |
TaC | |
Masa molar | 192,96 g / mol |
Apariencia | Polvo marrón grisáceo |
Olor | Inodoro |
Densidad | 14,3–14,65 g / cm 3 (TaC) 15,1 g / cm 3 (TaC 0,5 ) [1] |
Punto de fusion | 3,850–3,880 ° C (6,960–7,020 ° F; 4,120–4,150 K) (TaC) [2] 3,327 ° C (6,021 ° F; 3,600 K) (TaC 0.5 ) [1] |
Punto de ebullición | 4,780–5,470 ° C (8,640–9,880 ° F; 5,050–5,740 K) (TaC) [1] [2] |
Insoluble | |
Solubilidad | Soluble en mezcla de HF - HNO 3 [1] |
Conductividad térmica | 21 W / m · K [2] |
Termoquímica | |
Capacidad calorífica ( C ) | 36,71 J / mol · K [3] |
Entropía molar estándar ( S | 42,29 J / mol · K |
−144,1 kJ / mol | |
Compuestos relacionados | |
Materiales cerámicos refractarios relacionados | Nitruro de circonio Carburo de niobio Carburo de circonio |
Salvo que se indique lo contrario, los datos se proporcionan para materiales en su estado estándar (a 25 ° C [77 ° F], 100 kPa). | |
verificar ( ¿qué es ?) | |
Referencias de Infobox | |
Siendo importantes materiales de cermet , los carburos de tántalo se utilizan comercialmente en brocas para herramientas para aplicaciones de corte y, a veces, se añaden a las aleaciones de carburo de tungsteno . [4]
Los puntos de fusión de los carburos de tántalo alcanzan un máximo de aproximadamente 3880 ° C dependiendo de las condiciones de pureza y medición; este valor se encuentra entre los más altos para compuestos binarios. [5] [6] Sólo el carburo de hafnio de tantalio puede tener un punto de fusión ligeramente superior de aproximadamente 3942 ° C, [7] mientras que el punto de fusión del carburo de hafnio es comparable al de TaC.
Preparación
Los polvos de TaC x de la composición deseada se preparan calentando una mezcla de polvos de tántalo y grafito al vacío o en una atmósfera de gas inerte ( argón ). El calentamiento se realiza a una temperatura de aproximadamente 2000 ° C utilizando un horno o una instalación de fusión por arco. [8] [9] Una técnica alternativa es la reducción de pentóxido de tantalio por carbono en atmósfera de vacío o hidrógeno a una temperatura de 1500-1700 ° C. Este método se utilizó para obtener carburo de tantalio en 1876, [10] pero carece de control sobre la estequiometría del producto. [6] Se ha informado de la producción de TaC directamente a partir de los elementos mediante síntesis autopropagable a alta temperatura . [11]
Estructura cristalina
Los compuestos TaC x tienen una estructura cristalina cúbica (sal de roca) para x = 0,7–1,0; [12] el parámetro de celosía aumenta con x . [13] TaC 0.5 tiene dos formas cristalinas principales. El más estable tiene una estructura trigonal de tipo yoduro de cadmio , que se transforma al calentarla a aproximadamente 2000 ° C en una red hexagonal sin un orden de largo alcance para los átomos de carbono. [8]
Fórmula | Simetría | Tipo | Símbolo de Pearson | Grupo espacial | No | Z | ρ (g / cm 3 ) | a (nm) | c (nm) |
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TaC | Cúbico | NaCl [13] | cF8 | Fm 3 m | 225 | 4 | 14,6 | 0.4427 | |
TaC 0,75 | Trigonal [14] | HR24 | R 3 m | 166 | 12 | 15.01 | 0.3116 | 3 | |
TaC 0.5 | Trigonal [15] | anti-CdI 2 | hP3 | P 3 m1 | 164 | 1 | 15.08 | 0.3103 | 0.4938 |
TaC 0.5 | Hexagonal [9] | HP4 | P6 3 / mmc | 194 | 2 | 15.03 | 0.3105 | 0.4935 |
Aquí Z es el número de unidades de fórmula por celda unitaria, ρ es la densidad calculada a partir de los parámetros de la red.
Propiedades
El enlace entre el tántalo y los átomos de carbono en los carburos de tántalo es una mezcla compleja de contribuciones iónicas, metálicas y covalentes, y debido al fuerte componente covalente, estos carburos son materiales muy duros y frágiles. Por ejemplo, TaC tiene una microdureza de 1600-2000 kg / mm 2 [16] (~ 9 Mohs) y un módulo elástico de 285 GPa, mientras que los valores correspondientes para el tantalio son 110 kg / mm 2 y 186 GPa. La dureza, el límite elástico y el esfuerzo cortante aumentan con el contenido de carbono en TaC x . [17]
Los carburos de tantalio tienen conductividad eléctrica metálica, tanto en términos de su magnitud como de dependencia de la temperatura. TaC es un superconductor con una temperatura de transición relativamente alta de T C = 10,35 K. [13]
Las propiedades magnéticas de TaC x cambian de diamagnéticas para x ≤ 0.9 a paramagnéticas para x mayores . Se observa un comportamiento inverso (transición para-diamagnética con x creciente ) para HfC x , a pesar de que tiene la misma estructura cristalina que TaC x . [18]
Solicitud
El carburo de tantalio es ampliamente utilizado como aditivo de sinterización en cerámicas de temperatura ultra alta (UHTC) o como refuerzo cerámico en aleaciones de alta entropía (HEA) debido a sus excelentes propiedades físicas en punto de fusión, dureza, módulo elástico, conductividad térmica, choque térmico. resistencia y estabilidad química, lo que lo convierte en un material deseable para aviones y cohetes en las industrias aeroespaciales.
Wang y col. han sintetizado una matriz cerámica de SiBCN con adición de TaC mediante métodos de sinterización de aleación mecánica más prensado en caliente reactivo, en los que se mezclaron polvos de BN, grafito y TaC con molienda de bolas y se sinterizaron a 1900 ° C para obtener compuestos de SiBCN-TaC. Para la síntesis, el proceso de molienda de bolas refinó los polvos de TaC hasta 5 nm sin reaccionar con otros componentes, lo que permitió formar aglomerados que se componen de racimos esféricos con un diámetro de 100 nm-200 nm. El análisis TEM mostró que TaC se distribuye aleatoriamente en forma de nanopartículas con tamaños de 10-20 nm dentro de la matriz o distribuidas en BN con un tamaño más pequeño de 3-5 nm. Como resultado, el material compuesto con una adición del 10% en peso de TaC mejoró la tenacidad a la fractura de la matriz, alcanzando 399,5 MPa en comparación con 127,9 MPa de la cerámica SiBCN prístina. Esto se debe principalmente al desajuste de los coeficientes de expansión térmica entre la matriz cerámica TaC y SiBCN. Dado que TaC tiene un coeficiente de expansión térmica mayor que el de la matriz SiBCN, las partículas de TaC soportan la tensión de tracción mientras que la matriz soporta la tensión de tracción en la dirección radial y la tensión de compresión en la dirección tangencial. Esto hace que las grietas eviten las partículas y absorba algo de energía para lograr el endurecimiento. Además, la distribución uniforme de las partículas de TaC contribuye al límite elástico explicado por la relación Hall-Petch debido a una disminución en el tamaño de grano. [19]
Wei y col. han sintetizado una nueva matriz refractaria de MoNbRe0.5W (TaC) x HEA utilizando fusión por arco al vacío. Los patrones XRD mostraron que el material resultante se compone principalmente de una estructura de cristal BCC en la aleación base MoNbRe0.5W y un carburo de tipo multicomponente (MC) de (Nb, Ta, Mo, W) C para formar una estructura eutéctica laminar. , con la cantidad de fase MC proporcional a la adición de TaC. El análisis de TEM mostró que la interfaz laminar entre la fase BCC y MC presenta una morfología suave y curvada que exhibe una buena unión sin dislocaciones de mal ajuste de la red. Como resultado, el tamaño de grano disminuye al aumentar la adición de TaC, lo que mejora el límite elástico explicado por la relación Hall-Petch. La formación de estructura laminar se debe a que a temperatura elevada, la reacción de descomposición ocurre en los compuestos MoNbRe0.5W (TaC) x: (Mo, Nb, W, Ta) 2C → (Mo, Nb, W, Ta) + (Mo, Nb, W, Ta) C en el que Re se disuelve en ambos componentes para nuclear la fase BCC primero y la fase MC en la siguiente, de acuerdo con los diagramas de fase. [20] Además, la fase MC también mejora la resistencia de los composites, debido a su propiedad más rígida y elástica en comparación con la fase BCC. [21]
Wu y col. también han sintetizado cermets a base de Ti (C, N) con adición de TaC con molienda de bolas y sinterización a 1683K. El análisis de TEM mostró que TaC ayuda a la disolución de la fase de carbonitruro y se convierte en una fase aglutinante de TaC. El resultado es una formación de estructura de "núcleo negro-borde blanco" con tamaño de grano decreciente en la región de 3-5% en peso de adición de TaC y aumento de la resistencia a la ruptura transversal (TRS). La región de 0-3% en peso de TaC mostró una disminución en el TRS porque la adición de TaC disminuye la humectabilidad entre el aglutinante y la fase de carbonitruro y crea poros. La adición adicional de TaC más allá del 5% en peso también disminuye la TRS porque el TaC se aglomera durante la sinterización y se vuelve a formar porosidad. El mejor TRS se encuentra con una adición del 5% en peso, donde se logran granos finos y una microestructura homogénea para un menor deslizamiento de los límites del grano. [22]
Ocurrencia natural
El carburo de tantalio es una forma natural de carburo de tantalio. Es un mineral cúbico extremadamente raro. [23]
Ver también
- Carburo de hafnio
Referencias
- ↑ a b c d Lide, David R., ed. (2009). Manual CRC de Química y Física (90ª ed.). Boca Raton, Florida : CRC Press . ISBN 978-1-4200-9084-0.
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- ^ Carburo de tantalio en 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 (consultado el 2 de julio de 2014)
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- ^ La afirmación del punto de fusión de 4000 ° C en TaC 0.89 no se basa en una medición real sino en una extrapolación del diagrama de fase, usando una analogía con NbC, ver Emeléus
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