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碳化钽的主要用途有哪些?

2021-04-20 09:32:45

碳化钽硬度大、熔点高、高温性能好,主要用作硬质合金添加剂。添加碳化钽能细化硬质合金的晶粒,是其热硬度、抗热冲击和抗热氧化等性能得到显著提高。长期依赖多以单一的碳化钽添加到碳化钨(或碳化钨与碳化钛)中,与黏结剂金属钴混合、成型、烧结生产硬质合金。为了降低硬质合金成本,往往使用钽铌复合碳化物,目前主要使用的钽铌复合物有:TaC:NbC为80:20及60:40两种,碳化铌在复合物中的*高量达到40%(一般认为不超过20%为好)。

碳化钽

碳化钽的主要用途是硬质合金,电容器,电子器件、高温构件、化工设备和穿甲弹等。

1.硬质合金

碳化钽在硬质合金中发挥了重要作用,它通过改善纤维组织和相变动力学而提高合金性能,使合金具有更高的强度,相稳定性和加工变形能力。碳化钽的熔点非常高(4000℃),热力学稳定性好(熔点时△Gf=-154kj/mol)。钽能够特别有效地促进成核作用,防止凝固后期形成的核晶脆性薄膜中析出碳[i]。其作用主要为:(1)阻止硬质合金晶粒的长大;(2)与TiC一起形成WC和Co之外的第三弥散相,从而显著增加硬质合金抗热冲击、抗月牙洼磨损及抗氧化的能力,并提高其红硬性。

研究者对于TaC对WC-Co硬质合金的增强作用进行了大量的研究。林木寿认为添加TaC能提高γ相中W的固溶度[ii];Suzuki H等认为TaC可扩大WC-Co合金两相区宽度,因而可调节合金的碳含量[iii];刘寿荣[iv]的研究表明,Ta在γ相中的固溶使W固溶度下降,而C在γ相中固溶度相应提高,因而TaC可稍微提高WC-Co合金的碳含量,同时TaC可延缓WC在γ相中溶解析出过程,可以阻止WC晶粒普遍长大。实际应用中,由于TaC在γ相中固溶度有限(w=0.3%),而人们通常在合金中所添加的TaC量都已远远超出此饱和固溶度值,TaC必然主要以TaC-WC固溶体形式析出而以游离态存在,但其晶粒尺寸(1μm~2μm)大于WC晶粒尺寸(<1μm),因此,游离的TaC-WC固溶体晶粒不可能完全分布在WC-γ相界上。

TaC以不同的方式加入到合金中,也会极大的影响合金的性能。余振辉研究表面,TaC以TiC-TaC-W C固溶体相较之以单质形式加入到合金中,形成的WC核TiC-TaC-WC相有着较粗的亚晶尺寸和较小的微观应变,且前者具有较好的物理力学性能和较长的切削寿命 。

2.高温合金

在碳化物中,耐熔性*好的是碳化钽(TaC)(熔点3890℃)和碳化铪(HfC)(熔点3880℃),其次是碳化鋯(ZrC)(熔点3500℃)。在高温下,这几种材料机械性能极好,大大超过*好的多晶石墨,尤其碳化钽,是在2900℃-3200℃温度范围内wei一能保持一定机械性能的材料,但其缺点是对热震极为敏感,碳化物的低导热系数和高热膨胀系数,成为宇航材料中应用的*大障碍。而将碳化钽加入到炭/炭复合材料中,将拥有更高的导热性和更低的热膨胀条件,发挥难熔金属的抗氧化性和耐烧蚀性。

3.电子工业

近年来,过渡金属碳化物由于具有化学稳定性,硬度高,抗氧化及耐腐蚀能力强,电阻系数低等诸多优点而备受关注。碳化物纳米材料在金属涂层,工具,机器零部件以及复合材料等相关领域展现出了巨大的应用潜力。在所有的碳化物纳米线材料中,碳化银是*受欢迎的材料之一,也是潜力*大的材料之一。碳化钽不但继承了碳化物纳米材料诸多优点,还具有其自身的独特一面。如硬度高(常温下莫氏硬度为9-10、熔点高(大约为3880℃)、杨氏模量高(283-550GPa)、导电性强(电导率25℃时为32.7-117.4μΩ·cm)、高温超导(10.5K)、抗化学腐烛及热震能力强、对氨分解及氢气分离有很高的催化活性。

目前,通过碳热还原法,热等离子体,溶剂热,溶胶凝胶,微波加热,碱化物还原,自蔓延高温合成以及高频感应加热烧结等方法,己经制备出了碳化钽粉末及须状碳化钽。

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