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碳化钽

二月 17, 2023

碳化钽是一类二元化合物，由钽和碳组成，实验式TaCx，x 一般在 0.4 到1 之间。它们的硬度极大，脆，是耐火材料，具有金属的电导率。它是一种棕灰色粉末，通常通过烧结处理。

碳化钽
IUPAC名
Tantalum carbide
别名 碳化钽(IV)
识别
CAS号 12070-06-3  
12070-07-4（(TaC0.5)）  N
SMILES
InChI
InChIKey DUMHRFXBHXIRTD-UHFFFAOYSA-N
性质
化学式 TaC
摩尔质量 192.96 g/mol g·mol⁻¹
外观 棕灰色粉末
氣味 无臭
密度 14.3–14.65 g/cm3 (TaC)
15.1 g/cm3 (TaC0.5)[1]
熔点 3,850－3,880 °C（4,120－4,150 K）(TaC)[2]
3,327 °C（6,021 °F；3,600 K）
(TaC0.5)[1]
沸点 4,780－5,470 °C（5,050－5,740 K）(TaC)[1][2]
溶解性（水） 不溶
溶解性 可溶于HF-HNO3的混合物[1]
熱導率 21 W/m·K
热力学
ΔfHm⦵298K −144.1 kJ/mol
S⦵298K 42.29 J/mol·K
热容 36.71 J/mol·K[3]
相关物质
相关化学品 一氮化锆
碳化铌
碳化锆
若非注明，所有数据均出自标准状态（25 ℃，100 kPa）下。

作为重要的金属陶瓷（英语：cermet）材料，碳化钽在商业车刀中用于切削应用，有时会添加到碳化钨合金中。[4]

取决于纯度和测量条件，碳化钽的熔点在约3880℃达到峰值。这个值是二元化合物里最高的。[5][6]只有碳化钽铪的熔点可能略高，大约为3942°C，[7]而碳化铪的熔点与TaC相当。

制备

TaCx粉末是由钽和石墨的粉末在真空或惰性气体(氩)里使用炉子或电弧熔化装置在约2000℃的温度下进行加热。[8][9]钽和石墨的量决定了x的值。另一种技术是在真空或氢气气氛中，在1500–1700℃的温度下通过碳进行五氧化二钽的还原。该方法于1876年用于获得碳化钽，[10]但它无法控制产物的化学计量。[6]自蔓延高温合成（英语：self-propagating high-temperature synthesis）法也是已报道的直接从单质制备TaC的方法之一。[11]

晶体结构

 
β-TaC0.5 的晶体结构，蓝色的是钽原子

当 x = 0.7–1.0 时，TaCx有着立方结构 (岩盐的结构) 。[12]碳化钽的晶格常数会随着x增长而增长。[13] TaC0.5有两种结构。较稳定的具有反碘化镉型三角结构，该结构在加热至约2000℃时转变为六方晶格，对碳原子来说已经没有规律了。[8]

实验式 对称性 种类 皮尔逊符号 空间群 No Z ρ (g/cm3) a (nm) c (nm)
TaC 立方 NaCl[13] cF8 Fm3m 225 4 14.6 0.4427
TaC0.75 三方[14] hR24 R3m 166 12 15.01 0.3116 3
TaC0.5 三方[15] 反-CdI2 hP3 P3m1 164 1 15.08 0.3103 0.4938
TaC0.5 六方[9] hP4 P63/mmc 194 2 15.03 0.3105 0.4935

在这个表中，Z是每单位的配位数，ρ是由晶格常数计算而来的密度。

性质

碳化钽中钽和碳原子之间的键是离子键，金属键和共价键混合，是很复杂的键，并且由于强共价成分，这些碳化物是非常坚硬且易碎的材料。举个例子，TaC的显微硬度为1600-2000 kg/mm2 [16]（〜9 Mohs）和285 GPa的弹性模量，而钽的相应值为110 kg/mm2和186 GPa。碳化钽的硬度，屈服和剪切应力随TaCx中碳含量的增加而增加。[17]

碳化钽无论是什么大小和温度都具有金属导电性。TaC 可以在10.35 K以下转变为超导体。[13]

TaCx的磁性能从x≤0.9的反磁性变为“ x”≥0.9的顺磁性。尽管HfCx具有与TaCx相同的晶体结构，但仍观察到了相反的行为（磁性随x的增加而减少）。[18]

应用

碳化钽因其在熔点、硬度、弹性模量、导热性、热冲击方面的优异物理性能而被广泛用作超高温陶瓷（UHTC）的烧结添加剂或高熵合金（HEA）的陶瓷增强材料抵抗力和化学稳定性，这使其成为航空航天工业中飞机和火箭的理想材料。

天然存在

鉭碳礦（英语：Tantalcarbide）是碳化钽的天然存在形式。它属立方晶系，并且非常稀有。[19]

参见

参考资料

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  5. ^ TaC0.89中4000°C的熔点声称不是基于实际测量，而是基于相图的推断，使用与NbC的类比，请参见Emeléus
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二月 17, 2023
碳化钽, 是一类二元化合物, 由钽和碳组成, 实验式tacx, 一般在, 到1, 之间, 它们的硬度极大, 是耐火材料, 具有金属的电导率, 它是一种棕灰色粉末, 通常通过烧结处理, iupac名tantalum, carbide别名, 识别cas号, 12070, 12070, tac0, nsmiles, inchi, 1inchikey, dumhrfxbhxirtd, uhfffaoysa, n性质化学式, tac摩尔质量, 外观, 棕灰色粉末氣味, 无臭密度, tac0, 熔点, tac0, 沸点, 溶解. 碳化钽是一类二元化合物 由钽和碳组成 实验式TaCx x 一般在 0 4 到1 之间 它们的硬度极大 脆 是耐火材料 具有金属的电导率 它是一种棕灰色粉末 通常通过烧结处理 碳化钽IUPAC名Tantalum carbide别名 碳化钽 IV 识别CAS号 12070 06 3 12070 07 4 TaC0 5 NSMILES Ta C InChI 1S C Ta q 1 1InChIKey DUMHRFXBHXIRTD UHFFFAOYSA N性质化学式 TaC摩尔质量 192 96 g mol g mol 外观 棕灰色粉末氣味 无臭密度 14 3 14 65 g cm3 TaC 15 1 g cm3 TaC0 5 1 熔点 3 850 3 880 C 4 120 4 150 K TaC 2 3 327 C 6 021 F 3 600 K TaC0 5 1 沸点 4 780 5 470 C 5 050 5 740 K TaC 1 2 溶解性 水 不溶溶解性 可溶于HF HNO3的混合物 1 熱導率 21 W m K热力学DfHm 298K 144 1 kJ molS 298K 42 29 J mol K热容 36 71 J mol K 3 相关物质相关化学品 一氮化锆 碳化铌 碳化锆若非注明 所有数据均出自标准状态 25 100 kPa 下 作为重要的金属陶瓷 英语 cermet 材料 碳化钽在商业车刀中用于切削应用 有时会添加到碳化钨合金中 4 取决于纯度和测量条件 碳化钽的熔点在约3880 达到峰值 这个值是二元化合物里最高的 5 6 只有碳化钽铪的熔点可能略高 大约为3942 C 7 而碳化铪的熔点与TaC相当 目录 1 制备 2 晶体结构 3 性质 4 应用 5 天然存在 6 参见 7 参考资料制备 编辑TaCx粉末是由钽和石墨的粉末在真空或惰性气体 氩 里使用炉子或电弧熔化装置在约2000 的温度下进行加热 8 9 钽和石墨的量决定了x的值 另一种技术是在真空或氢气气氛中 在1500 1700 的温度下通过碳进行五氧化二钽的还原 该方法于1876年用于获得碳化钽 10 但它无法控制产物的化学计量 6 自蔓延高温合成 英语 self propagating high temperature synthesis 法也是已报道的直接从单质制备TaC的方法之一 11 晶体结构 编辑 b TaC0 5 的晶体结构 蓝色的是钽原子 当 x 0 7 1 0 时 TaCx有着立方结构 岩盐的结构 12 碳化钽的晶格常数会随着x增长而增长 13 TaC0 5有两种结构 较稳定的具有反碘化镉型三角结构 该结构在加热至约2000 时转变为六方晶格 对碳原子来说已经没有规律了 8 实验式 对称性 种类 皮尔逊符号 空间群 No Z r g cm3 a nm c nm TaC 立方 NaCl 13 cF8 Fm3m 225 4 14 6 0 4427TaC0 75 三方 14 hR24 R3m 166 12 15 01 0 3116 3TaC0 5 三方 15 反 CdI2 hP3 P3m1 164 1 15 08 0 3103 0 4938TaC0 5 六方 9 hP4 P63 mmc 194 2 15 03 0 3105 0 4935在这个表中 Z是每单位的配位数 r是由晶格常数计算而来的密度 性质 编辑碳化钽中钽和碳原子之间的键是离子键 金属键和共价键混合 是很复杂的键 并且由于强共价成分 这些碳化物是非常坚硬且易碎的材料 举个例子 TaC的显微硬度为1600 2000 kg mm2 16 9 Mohs 和285 GPa的弹性模量 而钽的相应值为110 kg mm2和186 GPa 碳化钽的硬度 屈服和剪切应力随TaCx中碳含量的增加而增加 17 碳化钽无论是什么大小和温度都具有金属导电性 TaC 可以在10 35 K以下转变为超导体 13 TaCx的磁性能从x 0 9的反磁性变为 x 0 9的顺磁性 尽管HfCx具有与TaCx相同的晶体结构 但仍观察到了相反的行为 磁性随x的增加而减少 18 应用 编辑碳化钽因其在熔点 硬度 弹性模量 导热性 热冲击方面的优异物理性能而被广泛用作超高温陶瓷 UHTC 的烧结添加剂或高熵合金 HEA 的陶瓷增强材料抵抗力和化学稳定性 这使其成为航空航天工业中飞机和火箭的理想材料 天然存在 编辑鉭碳礦 英语 Tantalcarbide 是碳化钽的天然存在形式 它属立方晶系 并且非常稀有 19 参见 编辑碳化铪参考资料 编辑 1 0 1 1 1 2 1 3 Lide David R 编 CRC Handbook of Chemistry and Physics 90th Boca Raton Florida CRC Press 英语 CRC Press 2009 ISBN 978 1 4200 9084 0 英语 2 0 2 1 5196273 失效連結 Tantalum carbide in 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 retrieved 2014 07 02 Emsley John Nature s building blocks an A Z guide to the elements Oxford University Press 11 August 2003 421 2 May 2011 ISBN 978 0 19 850340 8 TaC0 89中4000 C的熔点声称不是基于实际测量 而是基于相图的推断 使用与NbC的类比 请参见Emeleus 6 0 6 1 Emeleus Harry Advances in Inorganic Chemistry and Radiochemistry Academic Press 1968 174 176 3 May 2011 ISBN 978 0 12 023611 4 原始内容存档于2017 03 24 Agte C Alterthum H Researches on Systems with Carbides at High Melting Point and Contributions to the Problem of Carbon Fusion Zeitschrift fur technische Physik 1930 11 182 191 ISSN 0373 0093 8 0 8 1 Lonnberg B Lundstrom T Tellgren R A neutron powder diffraction study of Ta2C and W2C Journal of the Less Common Metals 1986 120 2 239 245 doi 10 1016 0022 5088 86 90648 X 9 0 9 1 Rudy Erwin Brukl C E Windisch Stephan Constitution of Ternary Ta Mo C Alloys Journal of the American Ceramic Society 1968 51 5 239 250 doi 10 1111 j 1151 2916 1968 tb13850 x Joly A Sur les azotures et carbures de niobium et de tantale Compt Rend 1876 82 1195 2020 07 14 原始内容存档于2020 07 16 法语 Shuck Christopher E Manukyan Khachatur V Rouvimov Sergei Rogachev Alexander S Mukasyan Alexander S Solid flame Experimental validation Combustion and Flame January 2016 163 487 493 doi 10 1016 j combustflame 2015 10 025 Lavrentyev A Gabrelian B Vorzhev V Nikiforov I Khyzhun O Rehr J Electronic structure of cubic HfxTa1 xCy carbides from X ray spectroscopy studies and cluster self consistent calculations Journal of Alloys and Compounds 2008 462 1 2 4 10 doi 10 1016 j jallcom 2007 08 018 13 0 13 1 13 2 Valvoda V X ray diffraction study of Debye temperature and charge distribution in tantalum monocarbide Physica Status Solidi A 1981 64 133 142 doi 10 1002 pssa 2210640114 Yvon K Parthe E On the crystal chemistry of the close packed transition metal carbides I The crystal structure of the zeta V Nb and Ta carbides Acta Crystallographica Section B 1970 26 2 149 153 doi 10 1107 S0567740870002091 Bowman A L Wallace T C Yarnell J L Wenzel R G Storms E K The crystal structures of V2C and Ta2C Acta Crystallographica 1965 19 6 9 doi 10 1107 S0365110X65002670 Kurt H Stern 1996 Metallurgical and Ceramic Protective Coatings Chapman amp Hall Oyama S Ted The chemistry of transition metal carbides and nitrides Springer 1996 29 30 3 May 2011 ISBN 978 0 7514 0365 7 原始内容存档于2020 07 14 Gusev Aleksandr Rempel Andrey Magerl Andreas Disorder and order in strongly nonstoichiometric compounds 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