“锆(gao)(gao)”元(yuan)素(su)是(shi)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)人(ren)(ren)最(zui)熟悉(xi)的(de)(de)(de)(de)元(yuan)素(su)之一,是(shi)过渡金(jin)属元(yuan)素(su)的(de)(de)(de)(de)重要组成部(bu)分(fen)。锆(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)化(hua)合物(wu)也被广泛应用在(zai)众多(duo)国计(ji)民(min)生(sheng)领域,受到广泛的(de)(de)(de)(de)重视。比如(ru),锆(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)氧化(hua)物(wu)“氧化(hua)锆(gao)(gao)”是(shi)重要的(de)(de)(de)(de)耐(nai)火材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)、陶(tao)瓷(ci)绝(jue)缘材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)和陶(tao)瓷(ci)遮光剂以(yi)及人(ren)(ren)工钻的(de)(de)(de)(de)主要原(yuan)料(liao)(liao)(liao);锆(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)碳化(hua)物(wu)“碳化(hua)锆(gao)(gao)”则具有(you)过渡金(jin)属碳化(hua)物(wu)的(de)(de)(de)(de)通用特点,如(ru)超高(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)硬度、超高(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)熔(rong)点、很好的(de)(de)(de)(de)耐(nai)腐蚀性(xing)及机械稳定性(xing)和热稳定性(xing),在(zai)硬质合金(jin)、切(qie)削刀具和高(gao)(gao)(gao)温结(jie)构材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)等方面有(you)着(zhe)很好的(de)(de)(de)(de)应用。
在元素周期表上相邻的锆和(he)铪
目前(qian),关(guan)于锆的研究和(he)应用已经逐渐成熟,因此材(cai)料行业(ye)开始将眼(yan)光转移至它的同族元(yuan)素“铪”——一种与(yu)锆(gao)具(ju)有类似的(de)性质与(yu)用途,但具(ju)有更(geng)大的(de)硬度和更(geng)高(gao)的(de)熔点等(deng)性质的(de)元素。它的(de)碳化(hua)物“碳化铪”同样也是一种典型的(de)过渡金属(shu)碳(tan)化(hua)物,粉末灰色,立方(fang)系晶(jing)体,是已(yi)知单一化(hua)合物中熔(rong)点(dian)最高者(zhe),还(hai)具有高达3890℃的(de)熔(rong)点(dian)、高的(de)硬度、较好的(de)高温强度、优秀的(de)耐(nai)腐蚀性和热导率较低等优异(yi)特性。
碳化铪粉体(ti)(图片(pian)来源:长玉(yu)特(te)陶)
接下(xia)来,小编就带您(nin)浅谈一下(xia)碳化铪(ha)的性质与下(xia)游潜力。文章相关素材来自专业(ye)主攻(gong)800nm以下(xia)超(chao)细非氧化物粉体量产的吉林长(zhang)玉特(te)陶新材料技术股份有(you)限公司(长(zhang)玉特(te)陶),如果想进一步了解这种高(gao)温材料欢迎与他们聊聊哦。
一、碳(tan)化铪(ha)的结构与性质
碳(tan)化(hua)铪(ha)(HfC)是过渡元素(su)Hf与C形(xing)成(cheng)的(de)一种非化(hua)学计量的(de)碳(tan)化(hua)物,即HfCx(0.5≤x≤1)。它的(de)结构是(shi)NaCl型(xing)的(de)面(mian)心立(li)方(fang)(fang)结构,空间群是(shi)Fm3m,其实验晶格(ge)常(chang)数(shu)a=0.4641 nm。Hf原(yuan)子(zi)构成立(li)方(fang)(fang)晶格(ge),C原(yuan)子(zi)位于(yu)立(li)方(fang)(fang)晶格(ge)的(de)八面(mian)体(ti)间隙。
由于(yu)(yu)C-Hf共价(jia)键(jian)(jian)键(jian)(jian)能大(da),要破(po)坏其结构(gou)非(fei)常困难(nan)(nan),因此HfC宏观(guan)上表现(xian)出超高(gao)(gao)(gao)硬度特(te)(te)性(xing),其莫式(shi)硬度为(wei)9M,仅次于(yu)(yu)金刚石;又由于(yu)(yu)HfC晶体(ti)熔(rong)化时(shi)必(bi)须(xu)破(po)坏高(gao)(gao)(gao)度对(dui)称分(fen)布的(de)原子(zi)键(jian)(jian),然而(er)破(po)坏此键(jian)(jian)极其困难(nan)(nan),从而(er)宏观(guan)上表现(xian)出超高(gao)(gao)(gao)熔(rong)点(dian)的(de)特(te)(te)性(xing),且HfC的(de)原子(zi)键(jian)(jian)的(de)键(jian)(jian)能高(gao)(gao)(gao)达EA=87.2163kJ/mol,故HfC的(de)熔(rong)点(dian)高(gao)(gao)(gao)达3890℃。
碳化铪TEM图(图片来源:长玉特陶)
张淑华等人利用(yong)准谐德(de)拜模(mo)型探索了碳化铪热力学性质,得到(dao)以下(xia)结论:碳化铪的熵、热膨胀(zhang)系数和(he)等容热容与温(wen)(wen)度成(cheng)正比相(xiang)关关系,与压力成(cheng)反比相(xiang)关关系,而其德(de)拜温(wen)(wen)度则是随着压力的升(sheng)高而降(jiang)低,随着温(wen)(wen)度的升(sheng)高而减(jian)小。同时(shi)HfC还(hai)具有很好的耐冲击性能(neng),碳化铪具体的基本性能(neng)可见(jian)下(xia)表(biao)。
碳化铪的基本性能
二、碳化铪的应用潜力
高熔(rong)点、高硬度、高温强度及(ji)耐(nai)(nai)腐(fu)蚀性优异…这些特征让HfC在特种耐(nai)(nai)火材料(liao)、高温结构材料(liao)、切削刀具以及(ji)航(hang)空(kong)航(hang)天等领域有(you)着广泛(fan)的应(ying)用前景,以下是几个代表应(ying)用。
1、切削工具
前(qian)文提到HfC的硬度(du)很高(莫(mo)氏硬度(du)为9M),仅次(ci)于(yu)金刚石,因此它可(ke)以作为硬质(zhi)合金的添(tian)加剂使用。这种复合后的硬质(zhi)合金不(bu)仅耐磨性强(qiang)(qiang)、抗压强(qiang)(qiang)度(du)高、硬度(du)高,而(er)且化学稳定性良好,因而(er)可(ke)广泛(fan)应用于(yu)耐磨、耐腐(fu)蚀(shi)的产(chan)品中,切削刀具就是一个(ge)常见代表。
另(ling)外HfC在切(qie)削刀具(ju)领域中,凭借(jie)这些优秀的(de)(de)性(xing)能还有(you)另(ling)一种(zhong)用法(fa)——“一枝(zhi)独秀”作为刀具(ju)涂(tu)(tu)层材料使用。据(ju)悉,HfC薄(bo)膜具(ju)有(you)高(gao)的(de)(de)硬(ying)度、良好的(de)(de)耐磨性(xing)能和优异的(de)(de)耐腐蚀性(xing)能,在刀具(ju)涂(tu)(tu)层有(you)着极(ji)大(da)的(de)(de)潜力(li)。
2、发(fa)动(dong)机喷管喉衬
碳碳(C/C)复(fu)合材(cai)料(liao)具(ju)有比其(qi)他材(cai)料(liao)优越(yue)的(de)(de)(de)高温热物理和力学性能,目前是固体(ti)火箭发(fa)动机喷管(guan)喉衬的(de)(de)(de)首选材(cai)料(liao)。但是在发(fa)动机的(de)(de)(de)运(yun)转过程(cheng)中,C/C复(fu)合材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)喉衬会因为热流的(de)(de)(de)烧蚀而受到(dao)破坏,因而使得(de)喷管(guan)的(de)(de)(de)效(xiao)率(lv)降低。
但若(ruo)将HfC引入(C/C)复(fu)(fu)合材料中便(bian)可提高(gao)其抗烧蚀(shi)性能——除了HfC本身优(you)秀的(de)强度(du)和硬度(du)可以提高(gao)复(fu)(fu)合材料的(de)机(ji)械性能外,也因其在高(gao)温下(xia),HfC会优(you)先与氧气反应形成HfO2,并且较(jiao)ZrC而言(yan),HfC的抗氧(yang)化能力更强(qiang),氧(yang)化生(sheng)成(cheng)的ZrO2层(ceng)也更为致(zhi)密,从(cong)而阻止有氧(yang)气氛对复合材(cai)料中碳(tan)基体和碳(tan)纤维(wei)的氧(yang)化,是C/C复合材(cai)料体系(xi)中重(zhong)要的抗氧(yang)化烧蚀添加剂。
3、涡轮(lun)转子
涡轮转(zhuan)子(zi)是用于制(zhi)作航空、航天发动机(ji)的(de)(de)热端部件(jian),又(you)是工业(ye)燃气轮机(ji)、能源、化工等工业(ye)部门所需的(de)(de)高(gao)温(wen)耐(nai)蚀材(cai)料。HfC具有高(gao)达 3900℃的(de)(de)熔点、超(chao)高(gao)的(de)(de)硬度(du)、超(chao)强的(de)(de)耐(nai)磨(mo)性(xing)和优异的(de)(de)抗腐(fu)(fu)蚀性(xing)能,因此(ci)它的(de)(de)加入能够显(xian)著(zhu)提高(gao)涡轮转(zhuan)子(zi)结构件(jian)系列合金在(zai)高(gao)温(wen)下的(de)(de)强度(du)和抗腐(fu)(fu)蚀能力。
三(san)、碳化铪的制备难度
各种(zhong)优异的(de)性能让HfC具有广泛的(de)应用(yong)(yong)前(qian)景,因而生(sheng)产出性价比高的(de)碳化铪纳(na)米粉体就显得(de)尤(you)为重要。然(ran)而由(you)于(yu)HfC的(de)合成温度过高,制(zhi)备成本较高,通(tong)过一般方(fang)法(fa)制(zhi)得(de)的(de)HfC粉体质量较差,粒径以及纯度很难达到(dao)最优,自(zi)然(ran)应用(yong)(yong)上也(ye)会受到(dao)影(ying)响。
碳化铪SEM图(图片(pian)来源:长玉特陶)
在制(zhi)备门(men)槛(jian)如此之(zhi)高的情况(kuang)下,目前国内从事碳化(hua)(hua)铪的研发(fa)与(yu)生产的企业并不(bu)多,上面提到的长玉(yu)特陶(tao)就是其中(zhong)之(zhi)一(yi)(yi)。为了(le)制(zhi)备纯度高,粒径小的HfC纳米粉(fen)体(ti)材(cai)料(liao),长玉(yu)特陶(tao)采用了(le)一(yi)(yi)种针对超细粉(fen)体(ti)优化(hua)(hua)的碳热还原(yuan)法(fa),经(jing)过独特的原(yuan)材(cai)料(liao)预处理和自(zi)行研制(zhi)的专用设(she)备,超细高纯粉(fen)体(ti)得以(yi)在可控压力(li)和气氛的真空(kong)中(zhong)直接合成(cheng)。具体(ti)的参数可看(kan)以(yi)下表格及图片。
名称(cheng) |
化学组成(wt.%) |
|||
碳(tan)化铪 HfC |
C total |
O max |
N max |
S max |
6.1-6.3 |
0.3 |
0.1 |
0.02 |
|
粒(li)径可根据用户要(yao)求提供 (常备现(xian)货粒(li)径为200-400nm和600-800nm) |
粒径分(fen)布(bu)及(ji)XRD图谱
总之通过(guo)这招“拿手(shou)好(hao)(hao)戏”,相比较于(yu)一般工艺,由长玉特(te)陶生(sheng)产的(de)(de)超细(xi)HfC粉体具有粒(li)度分布窄(zhai)、流动性好(hao)(hao)、杂质含量少、烧结活性高的(de)(de)特(te)点,为(wei)其推广应用打下了良好(hao)(hao)的(de)(de)基础(chu)。若您对HfC这种优秀(xiu)的(de)(de)高温材(cai)料感兴趣(qu)并(bing)想进一步了解(jie),欢迎通过(guo)粉体圈(quan)与(yu)长玉特(te)陶取得联系(xi),共同挖掘HfC的(de)(de)下游(you)潜力和应用前景。
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