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| 名前 | |
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| IUPAC名
タンタルカーバイド
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| その他の名前
タンタル(IV)炭化物
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| 識別子 | |
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3Dモデル（JSmol）
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| ケムスパイダー |
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| ECHA 情報カード | 100.031.914 |
| EC番号 |
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パブケム CID
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| ユニ |
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CompTox ダッシュボード ( EPA )
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| プロパティ | |
| タック | |
| モル質量 | 192.96グラム/モル |
| 外観 | 茶色がかった灰色の粉末 |
| 臭い | 無臭 |
| 密度 | 14.3 ～ 14.65 g/cm 3 (TaC) 15.1 g/cm 3 (TaC 0.5 ) [1] |
| 融点 | 3,768 °C (6,814 °F; 4,041 K) (TaC) [3] 3,327 °C (6,021 °F; 3,600 K) (TaC 0.5 ) [1] |
| 沸点 | 4,780〜5,470 °C (8,640〜9,880 °F; 5,050〜5,740 K) (TaC) [1] [2] |
| 不溶性 | |
| 溶解度 | HF - HNO3混合液に可溶[1] |
| 熱伝導率 | 21 W/m·K [2] |
| 熱化学 | |
熱容量 ( C )
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36.71 J/モル·K [4] |
標準モル
エントロピー ( S ⦵ 298 ) |
42.29 J/モル·K |
標準生成エンタルピー (Δ f H ⦵ 298 ) |
−144.1 kJ/モル |
| 関連化合物 | |
関連耐火セラミック材料
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窒化ジルコニウム 炭化 ニオブ 炭化ジルコニウム |
特に記載がない限り、データは標準状態（25 °C [77 °F]、100 kPa）の材料に関するものです。
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タンタルカーバイド(TaC) は、タンタルと炭素の二元化合物の一種で、実験式は TaC xです。xは通常 0.4 ～ 1 です。非常に硬く、脆く、金属のような導電性を持つ耐火性セラミック材料です。茶灰色の粉末で、通常は焼結処理されます。
タンタルカーバイドは重要なサーメット材料であり、切削用途の工具ビットに商業的に使用されており、タングステンカーバイド合金に添加されることもあります。 [5]
タンタルカーバイドの融点は、純度と測定条件によって異なりますが、これまで約3,880 °C（4,150 K; 7,020 °F）と推定されていました。この値は、2元化合物の中で最も高い値です。[6] [7]また、タンタルハフニウムカーバイドのみが、3,942 °C（4,215 K; 7,128 °F）というより高い融点を持つと推定されていました。[8]しかし、新しいテストにより、TaCの融点は実際には3,768 °Cであり、タンタルハフニウムカーバイドとハフニウムカーバイドはどちらもより高い融点を持つことが決定的に証明されました。[9]
準備
所望の組成のTaC x粉末は、真空または不活性ガス雰囲気 (アルゴン) でタンタルとグラファイトの粉末の混合物を加熱することによって製造されます。加熱は、炉またはアーク溶解装置を使用して約 2,000 °C (2,270 K; 3,630 °F) の温度で行われます。[10] [11]代替技術は、真空または水素雰囲気で 1,500～1,700 °C (1,770～1,970 K; 2,730～3,090 °F) の温度で五酸化タンタルを炭素で還元することです。この方法は 1876 年にタンタルカーバイドを得るために使用されましたが、[12]生成物の化学量論を制御できません。[7]元素から直接 TaC を生成することは、自己増殖高温合成によって報告されています。[13]
結晶構造
TaC x化合物は、x = 0.7～1.0で立方晶（岩塩型）の結晶構造を持ちます。 [14]格子定数はxとともに増加します。[15] TaC 0.5には 2 つの主要な結晶形態があります。より安定した結晶形態は、反ヨウ化カドミウム型の三方晶構造を持ち、約 2,000 °C に加熱すると、炭素原子の長距離秩序のない六方晶格子に変化します。[10]
ここで、Zは単位格子あたりの化学式単位の数、ρ は格子パラメータから計算された密度です。
プロパティ
タンタル炭化物中のタンタルと炭素原子間の結合は、イオン性、金属性、共有結合性の複雑な混合物であり、共有結合成分が強いため、これらの炭化物は非常に硬く脆い材料です。たとえば、TaC の微小硬度は 1,600～2,000 kg/mm 2 [18] (約 9 モース)、弾性率は 285 GPa ですが、タンタルの対応する値は 110 kg/mm 2と 186 GPa です。[19]
タンタルカーバイドは、その大きさと温度依存性の両方において金属的な電気伝導性を持っています。TaCは、T C = 10.35 Kという比較的高い転移温度を持つ超伝導体です。[15]
TaC xの磁気特性は、 x ≤ 0.9では反磁性であるが、 xが大きくなると常磁性に変化する。HfC x はTaC xと同じ結晶構造を持つにもかかわらず、逆の挙動（x の増加とともに常反磁性転移）が観察される。[20]
応用
タンタルカーバイドは、融点、硬度、弾性率、熱伝導率、耐熱衝撃性、化学的安定性などの優れた物理的特性により、超高温セラミックス(UHTC) の焼結添加剤として、または高エントロピー合金 (HEA) のセラミック強化材として広く使用されており、航空宇宙産業の航空機やロケットに適した材料となっています。
Wangらは、メカニカルアロイングと反応性ホットプレス焼結法を組み合わせて、TaCを添加したSiBCNセラミックマトリックスを合成した。この方法では、BN、グラファイト、TaC粉末をボールミルで混合し、1,900℃（2,170 K、3,450 ℉）で焼結して、SiBCN-TaC複合材料を得た。合成では、ボールミル処理により、他の成分と反応することなくTaC粉末を5nmまで精製し、直径100nm～200nmの球状クラスターからなる凝集体を形成できた。TEM分析により、TaCはマトリックス内で10～20nmのサイズのナノ粒子の形でランダムに分布しているか、3～5nmのより小さなサイズのBN内に分布していることがわかった。その結果、TaC を 10 wt% 添加した複合材料はマトリックスの破壊靭性が向上し、純粋な SiBCN セラミックの 127.9 MPa と比較して 399.5 MPa に達しました。これは主に、TaC と SiBCN セラミック マトリックスの熱膨張係数の不一致によるものです。TaC の熱膨張係数は SiBCN マトリックスの熱膨張係数よりも大きいため、TaC 粒子は引張応力に耐え、マトリックスは半径方向の引張応力と接線方向の圧縮応力に耐えます。これにより、亀裂が粒子を迂回し、エネルギーの一部を吸収して強化が達成されます。さらに、TaC 粒子の均一な分布は、粒径の減少により、ホールペッチ関係で説明される降伏応力に寄与します。[21]
Weiらは、真空アーク溶解法を用いて新しい耐火性MoNbRe0.5W(TaC)x HEAマトリックスを合成した。XRDパターンは、得られた材料が主にベース合金MoNbRe0.5Wの単一のBCC結晶構造と、層状共晶構造を形成する多成分(MC)型炭化物(Nb、Ta、Mo、W)Cで構成され、MC相の量がTaC添加量に比例することを示した。TEM分析は、BCC相とMC相の間の層状界面が滑らかで曲線的な形態を示し、格子不整合転位のない良好な結合を示すことを示していた。その結果、TaC添加量が増えるにつれて粒径が減少し、ホールペッチ関係によって説明される降伏応力が向上する。ラメラ構造が形成されるのは、高温でMoNbRe0.5W(TaC)x複合材料内で分解反応が起こるためです: (Mo, Nb, W, Ta)2C → (Mo, Nb, W, Ta) + (Mo, Nb, W, Ta)C。状態図によれば、Reは両方の成分に溶解して最初にBCC相の核を形成し、次にMC相を形成します。[22]さらに、MC相はBCC相に比べて剛性と弾性が高いため、複合材料の強度も向上します。[23]
Wu らは、ボールミル処理と 1,683 K (1,410 °C、2,570 °F) での焼結により、TaC を添加した Ti(C, N) ベースのサーメットも合成しました。TEM 分析により、TaC は炭窒化物相の溶解を助け、TaC バインダー相に変換することが示されました。その結果、3～5 wt% の TaC 添加領域で粒径が減少し、抗折強度 (TRS) が増加する、「黒芯白縁」構造が形成されます。0～3 wt% の TaC 領域では、TaC 添加によりバインダーと炭窒化物相間の濡れ性が低下して気孔が形成されるため、TRS が低下しました。5 wt% を超えて TaC をさらに添加すると、焼結中に TaC が凝集して再び気孔が形成されるため、TRS も低下します。最良の TRS は 5 wt% 添加時に得られ、細かい粒子と均質なミクロ構造が達成され、粒界滑りが少なくなります。[24]
自然発生
タンタルカーバイドはタンタルカーバイドの天然形態であり、立方体で非常に希少な鉱物です。[25]
参照
参考文献
- ^ abcd Lide, David R. 編 (2009). CRC 化学・物理ハンドブック(第 90 版).フロリダ州ボカラトン: CRC プレス. ISBN 978-1-4200-9084-0。
- ^ ab US 5196273、Tsantrizos、Peter、Mavropoulos、Lakis T.、Shanker、Kartik 他、「タンタル炭化物複合材料」、1993 年 3 月 23 日発行、Noranda Inc.に譲渡。
- ^ Cedillos-Barraza, Omar; Manara, Dario; Boboridis, K.; Watkins, Tyson; Grasso, Salvatore; Jayaseelan, Daniel D.; Konings, Rudy JM; Reece, Michael J.; Lee, William E. (2016). 「最高融点材料の調査: TaC-HFC システムのレーザー融解研究」. Scientific Reports . 6 : 37962. Bibcode :2016NatSR...637962C. doi :10.1038/srep37962. PMC 5131352. PMID 27905481 .
- ^ タンタルカーバイド、Linstrom, Peter J.、Mallard, William G. (編)、NIST Chemistry WebBook、NIST 標準参照データベース番号 69、国立標準技術研究所、ゲイサーズバーグ (MD) (2014-07-02 取得)
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- ^ TaC 0.89の融点が4,000℃（4,270 K; 7,230 F）であると主張しているが、これは実際の測定値に基づくものではなく、NbCとの類似性を用いた相図の外挿に基づいている。Emeléusを参照。
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- ^ Wei, Qinqin, et al. 「TaC を添加した耐火性高エントロピー合金マトリックス複合材料の微細構造の進化、機械的特性、強化メカニズム」Journal of Alloys and Compounds 777 (2019): 1168-1175
- ^ Wu, Peng, et al. 「Ti (C, N) 系サーメットの微細構造と機械的特性に対する TaC 添加の影響」Materials & Design 31.7 (2010): 3537-3541
- ^ ミンダット、http://www.mindat.org/min-7327.html