碳化钽

碳化钛 (TaC) 是一族钽和碳的二元化合物，经验式为 TaCx，其中 x 通常在 0.4 和 1 之间变化。它们是极硬、易碎、难熔的陶瓷材料，具有金属导电性。 它们呈棕灰色粉末，通常通过烧结处理。

作为重要的金属陶瓷材料，碳化钽在商业上用于切削应用的刀头，有时还添加到碳化钨合金中。

根据纯度和测量条件，先前估计碳化钽的熔点约为 3,880 °C； 这个值是二元化合物中最高的。 据估计，只有碳化铪钽具有 3,942 °C 的更高熔点。 然而，新的测试最终证明 TaC 实际上具有 3,768 °C 的熔点，而碳化钽铪和碳化铪均具有更高的熔点。

通过在真空或惰性气体气氛（氩气）中加热钽和石墨粉末的混合物来制备所需成分的 TaCx 粉末。 使用熔炉或电弧熔化装置在约 2,000 °C 的温度下进行加热。 另一种技术是在 1,500–1,700 °C 的温度下，在真空或氢气氛中用碳还原五氧化二钽。 这种方法在 1876 年被用于获得碳化钽，但它缺乏对产品化学计量的控制。 已报道通过自蔓延高温合成直接从元素生产 TaC。

TaCx 化合物具有立方（岩盐）晶体结构，x = 0.7–1.0； 晶格参数随 x 增加。 TaC0.5有两种主要晶型。 更稳定的一种具有反碘化镉型三角结构，加热到约 2,000°C 后会转变为碳原子没有长程有序的六方晶格。

这里 Z 是每个晶胞的公式单元数，ρ 是从晶格参数计算的密度。

碳化钽中钽和碳原子之间的键合是离子、金属和共价成分的复杂混合物，由于共价成分很强，这些碳化物是非常硬和脆的材料。 例如，TaC 的显微硬度为 1,600–2,000 kg/mm2（~9 Mohs），弹性模量为 285 GPa，而钽的相应值为 110 kg/mm2 和 186 GPa。

碳化钛具有金属导电性，无论是大小还是温度依赖性。 TaC 是一种具有相对较高转变温度 TC = 10.35 K 的超导体。

TaCx 的磁性从 x ≤ 0.9 的反磁性变为较大 x 的顺磁性。 尽管 HfCx 具有与 TaCx 相同的晶体结构，但观察到其具有相反的行为（随着 x 增加的顺抗磁转变）。

碳化钛由于其在熔点、硬度、弹性模量、导热性、导热性等方面的优异物理性能，被广泛用作超高温陶瓷（UHTCs）的烧结添加剂或高熵合金（HEAs）的陶瓷增强剂。 抗震性和化学稳定性使其成为航空航天工业中飞机和火箭的理想材料。

王等。 已经通过机械合金化和反应热压烧结方法合成了添加 TaC 的 SiBCN 陶瓷基体，其中将 BN、石墨和 TaC 粉末与球磨混合并在 1,900 °C 下烧结以获得 SiBCN-TaC 复合材料。 在合成过程中，球磨工艺将 TaC 粉末细化至 5 nm，而不与其他成分发生反应，从而形成由直径为 100 nm-200 nm 的球形团簇组成的团聚体。

TEM 分析表明，TaC 在基体中以 10-20 nm 大小的纳米粒子形式随机分布，或者以 3-5 nm 的较小尺寸分布在 BN 中。 结果，添加 10 wt% TaC 的复合材料提高了基体的断裂韧性，达到 399.5MPa，而原始 SiBCN 陶瓷为 127.9MPa。 这主要是由于 TaC 和 SiBCN 陶瓷基体之间的热膨胀系数不匹配。 由于TaC具有比SiBCN基体更大的热膨胀系数，因此TaC颗粒承受拉应力，而基体承受径向拉应力和切向压应力。 这使得裂纹绕过颗粒并吸收一些能量以实现增韧。 此外，由于晶粒尺寸减小，TaC 颗粒的均匀分布有助于由 Hall-Petch 关系解释的屈服应力。

魏等。 使用真空电弧熔炼合成了新型耐火 MoNbRe0.5W(TaC)x HEA 基体。 XRD图谱表明，所得材料主要由基a中的单个BCC晶体结构组成。