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单一化合物中熔点最高者:碳化铪粉体的应用潜力
日期:2022-12-28    浏览次数:
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“锆”元素是材料人最熟悉的元素之一,是过渡金属元素的重要组成部分。锆的化合物也被广泛应用在众多国计民生领域,受到广泛的重视。比如,锆的氧化物“氧化锆”是重要的耐火材料、陶瓷绝缘材料和陶瓷遮光剂以及人工钻的主要原料;锆的碳化物“碳化锆”则具有过渡金属碳化物的通用特点,如超高的硬度、超高的熔点、很好的耐腐蚀性及机械稳定性和热稳定性,在硬质合金、切削刀具和高温结构材料等方面有着很好的应用。

在元素周期表上相邻的锆和铪

在元素周期表上相邻的锆和铪

目前,关于锆的研究和应用已经逐渐成熟,因此材料行业开始将眼光转移至它的同族元素“铪”——一种与锆具有类似的性质与用途,但具有更大的硬度和更高的熔点等性质的元素。它的碳化物“碳化同样也是一种典型的过渡金属碳化物,粉末灰色,立方系晶体,是已知单一化合物中熔点最高者,还具有高达3890℃的熔点、高的硬度、较好的高温强度、优秀的耐腐蚀性和热导率较低等优异特性。

碳化铪粉体 

碳化铪粉体(图片来源:长玉特陶)

接下来,小编就带您浅谈一下碳化铪的性质与下游潜力。文章相关素材来自专业主攻800nm以下超细非氧化物粉体量产的吉林长玉特陶新材料技术股份有限公司(长玉特陶),如果想进一步了解这种高温材料欢迎与他们聊聊哦。

一、碳化铪的结构与性质

碳化铪(HfC)是过渡元素Hf与C形成的一种非化学计量的碳化物,即HfCx(0.5≤x≤1)。它的结构是NaCl型的面心立方结构,空间群是Fm3m,其实验晶格常数a=0.4641 nm。Hf原子构成立方晶格,C原子位于立方晶格的八面体间隙。

由于C-Hf共价键键能大,要破坏其结构非常困难,因此HfC宏观上表现出超高硬度特性,其莫式硬度为9M,仅次于金刚石;又由于HfC晶体熔化时必须破坏高度对称分布的原子键,然而破坏此键极其困难,从而宏观上表现出超高熔点的特性,且HfC的原子键的键能高达EA=87.2163kJ/mol,故HfC的熔点高达3890℃。

碳化铪TEM图

碳化铪TEM图(图片来源:长玉特陶)

张淑华等人利用准谐德拜模型探索了碳化铪热力学性质,得到以下结论:碳化铪的熵、热膨胀系数和等容热容与温度成正比相关关系,与压力成反比相关关系,而其德拜温度则是随着压力的升高而降低,随着温度的升高而减小。同时HfC还具有很好的耐冲击性能,碳化铪具体的基本性能可见下表。

碳化铪的基本性能

碳化铪的基本性能

二、碳化铪的应用潜力

高熔点、高硬度、高温强度及耐腐蚀性优异…这些特征让HfC在特种耐火材料、高温结构材料、切削刀具以及航空航天等领域有着广泛的应用前景,以下是几个代表应用。

1、切削工具

前文提到HfC的硬度很高(莫氏硬度为9M),仅次于金刚石,因此它可以作为硬质合金的添加剂使用。这种复合后的硬质合金不仅耐磨性强、抗压强度高、硬度高,而且化学稳定性良好,因而可广泛应用于耐磨、耐腐蚀的产品中,切削刀具就是一个常见代表。

HFC切削工具

另外HfC在切削刀具领域中,凭借这些优秀的性能还有另一种用法——“一枝独秀”作为刀具涂层材料使用。据悉,HfC薄膜具有高的硬度、良好的耐磨性能和优异的耐腐蚀性能,在刀具涂层有着极大的潜力。

2、发动机喷管喉衬

碳碳(C/C)复合材料具有比其他材料优越的高温热物理和力学性能,目前是固体火箭发动机喷管喉衬的首选材料。但是在发动机的运转过程中,C/C复合材料的喉衬会因为热流的烧蚀而受到破坏,因而使得喷管的效率降低。

发动机喷管喉衬

但若将HfC引入(C/C)复合材料中便可提高其抗烧蚀性能——除了HfC本身优秀的强度和硬度可以提高复合材料的机械性能外,也因其在高温下,HfC会优先与氧气反应形成HfO2,并且较ZrC而言,HfC的抗氧化能力更强,氧化生成的ZrO2层也更为致密,从而阻止有氧气氛对复合材料中碳基体和碳纤维的氧化,是C/C复合材料体系中重要的抗氧化烧蚀添加剂。

3、涡轮转子

涡轮转子是用于制作航空、航天发动机的热端部件,又是工业燃气轮机、能源、化工等工业部门所需的高温耐蚀材料。HfC具有高达 3900℃的熔点、超高的硬度、超强的耐磨性和优异的抗腐蚀性能,因此它的加入能够显著提高涡轮转子结构件系列合金在高温下的强度和抗腐蚀能力。

涡轮转子

三、碳化铪的制备难度

各种优异的性能让HfC具有广泛的应用前景,因而生产出性价比高的碳化铪纳米粉体就显得尤为重要。然而由于HfC的合成温度过高,制备成本较高,通过一般方法制得的HfC粉体质量较差,粒径以及纯度很难达到最优,自然应用上也会受到影响。

碳化铪SEM图

碳化铪SEM图(图片来源:长玉特陶)

在制备门槛如此之高的情况下,目前国内从事碳化铪的研发与生产的企业并不多,上面提到的长玉特陶就是其中之一。为了制备纯度高,粒径小的HfC纳米粉体材料,长玉特陶采用了一种针对超细粉体优化的碳热还原法,经过独特的原材料预处理和自行研制的专用设备,超细高纯粉体得以在可控压力和气氛的真空中直接合成。具体的参数可看以下表格及图片。

名称

化学组成(wt.%)

碳化铪

HfC

C total

O max

N max

S max

6.1-6.3

0.3

0.1

0.02

粒径可根据用户要求提供

(常备现货粒径为200-400nm和600-800nm)

粒径分布及XRD图谱

粒径分布及XRD图谱

总之通过这招“拿手好戏”,相比较于一般工艺,由长玉特陶生产的超细HfC粉体具有粒度分布窄、流动性好、杂质含量少、烧结活性高的特点,为其推广应用打下了良好的基础。若您对HfC这种优秀的高温材料感兴趣并想进一步了解,欢迎通过粉体圈与长玉特陶取得联系,共同挖掘HfC的下游潜力和应用前景。

 

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