炭化ジルコニウム

炭化ジルコニウム
	単位格子内の炭化ジルコニウム
	炭化ジルコニウムの粉末
名前
	その他の名前ジルコニウム(IV)炭化物
識別子
CAS番号	12070-14-3 ;
3Dモデル（JSmol）	インタラクティブ画像;
ECHA 情報カード	100.031.920
EC番号	235-125-1;
パブケム CID	11159298;
RTECS番号	ZH7155000;
国連番号	3178
CompTox ダッシュボード ( EPA )	DTXSID60912099;
	笑顔 [Zr+]#[C-];
プロパティ
化学式	ジルコニウム
モル質量	103.235 グラムモル−1
外観	灰色の耐火固体
臭い	無臭
密度	6.73 g/cm3 （ 24℃）
融点	3,532〜3,540 °C (6,390〜6,404 °F; 3,805〜3,813 K)
沸点	5,100 °C (9,210 °F; 5,370 K)
水への溶解度	不溶性
溶解度	濃硫酸、 HF、[ ] HNO 3に可溶
構造
結晶構造	立方晶系、cF8
空間群	Fm 3 m、No. 225
格子定数	a = 4.6976(4) Å α＝90°、β＝90°、γ＝90°
座標幾何学	八面体
熱化学
熱容量 ( C )	37.442 J/モル·K
標準モル; エントロピー ( S ⦵ 298 )	33.14 J/モル·K
; 標準生成エンタルピー (Δ f H ⦵ 298 )	−207 kJ/モル（化学量論組成に外挿）; −196.65 kJ/モル
危険
	労働安全衛生（OHS/OSH）：
主な危険	自然発火性
	GHSラベル:
ピクトグラム
シグナルワード	危険
危険有害性情報	H228、H302、H312、H332
注意事項	P210、P280
NFPA 704 (ファイアダイヤモンド)	0 0 0
関連化合物
その他の陰イオン	窒化ジルコニウム酸化; ジルコニウム
その他の陽イオン	炭化チタン; ハフニウム炭化; バナジウム炭化; ニオブ炭化; タンタル炭化; クロム炭化; モリブデン炭化; タングステン
	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。確認する（何ですか？）インフォボックス参照

炭化ジルコニウム（Zr C）は極めて硬い耐火セラミック材料であり、^{[7]切削工具の}工具ビットに商業的に使用されています。通常は焼結によって処理されます。

プロパティ

立方晶構造を持つ灰色の金属粉末で、耐腐食性に優れています。この第 IV 族格子間遷移金属炭化物は、超高温セラミック(UHTC) の一種です。金属結合があるため、ZrC の熱伝導率は 20.5 W/m·K、電気伝導率 (抵抗率 ~43 μΩ·cm) はジルコニウム金属とほぼ同じです。強力な Zr-C 共有結合により、この材料の融点は非常に高く (~3530 °C)、弾性率(~440 GPa) が高く、硬度(25 GPa) も高くなります。ZrC の密度は6.73 g/cm ^3で、WC (15.8 g/cm ³ )、TaC (14.5 g/cm ³ ) 、 HfC (12.67 g/cm ³ )などの他の炭化物に比べて低くなっています。 ZrC は、低密度と高温の耐荷重性が重要な要件となる再突入体、ロケット/スクラムジェットエンジン、または超音速車両での使用に適していると思われます。 ^[^{引用が必要}^]

耐火金属の炭化物のほとんどと同様に、炭化ジルコニウムは化学量論比未満、すなわち炭素空孔を含んでいます。炭素含有量がおよそZrC _0.98を超えると、材料には遊離炭素が含まれます。^[5] ZrCは、炭素と金属の比率が0.65から0.98の範囲で安定しています。

IVA族金属炭化物、TiC、ZrC、およびSiC は、 100 ℃でも強酸 (HCl) および強塩基 (NaOH) による攻撃に対して実質的に不活性ですが、ZrC は HF と反応します。

炭化ジルコニウムと炭化タンタルの混合物は重要なサーメット材料です。^[要出典]

用途

ハフニウムを含まない炭化ジルコニウムと炭化ニオブは、原子炉の耐火コーティングとして使用できます。中性子吸収断面積が低く、照射による損傷感受性が弱いため、核燃料の二酸化ウランと二酸化トリウム粒子のコーティングとして使用されます。コーティングは通常、流動床反応器で熱化学蒸着によって堆積されます。また、高温での放射率と電流容量が高く、熱光起電性ラジエーターやフィールドエミッターのチップとアレイに使用するための有望な材料となっています。^[^{引用が必要}^]

また、研磨剤、クラッディング、サーメット、白熱フィラメント、切削工具としても使用されます。 ^[要出典]

生産

炭化ジルコニウムはいくつかの方法で製造できます。1つの方法は、ジルコニアとグラファイトの炭素熱反応です。これにより粉末が生成されます。次に、2000 °C以上でZrCの粉末を焼結することで、高密度のZrCを作成できます。ZrCをホットプレスすると焼結温度が下がり、結果として微粒子の完全に高密度のZrCを製造できます。スパークプラズマ焼結も、完全に高密度のZrCを製造するために使用されています。^[8]

炭化ジルコニウムは溶液処理によっても製造できる。^[9]これは金属酸化物をアセチルアセトンで還流させることによって達成される。

他の製造方法は化学蒸着法である。^[10]これはジルコニウムスポンジを加熱し、ハロゲン化物ガスを通すことで実現される。

800 °C を超えると耐酸化性が低いため、ZrC の用途は限られています。ZrC の耐酸化性を改善する方法の 1 つは、複合材料を作ることです。提案されている重要な複合材料は、ZrC-ZrB ₂と ZrC-ZrB ₂ -SiC 複合材料です。これらの複合材料は、1800 °C まで使用できます。^{[引用が必要]}これを改善するもう 1 つの方法は、TRISO 燃料粒子などのバリア層として別の材料を使用することです。

参考文献

^ abc 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。
^ abc ペリー、デール L. (2011). 無機化合物ハンドブック (第 2 版). CRC プレス. p. 472. ISBN 978-1-4398-1461-1。
^ abcd Kempter, CP; Fries, RJ (1960). 「結晶構造データ. 189. 炭化ジルコニウム」.分析化学. 32 (4): 570. doi :10.1021/ac60160a042.
^ abc ジルコニウムカーバイド、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、ゲイザースバーグ (MD) (2014-06-30 取得)
^ ab Baker, FB; Storms, EK; Holley, CE (1969). 「炭化ジルコニウムの生成エンタルピー」. Journal of Chemical & Engineering Data . 14 (2): 244. doi :10.1021/je60041a034.
^ abc Sigma-Aldrich Co.、ジルコニウム(IV)カーバイド。2014年6月30日閲覧。
^ 遷移金属炭化物、特にタンタル炭化物の硬度の測定と理論。Schwab, GM; Krebs, A. Phys.-Chem. Inst., Univ. Muenchen, Munich, Fed. Rep. Ger. Planseeberichte fuer Pulvermetallurgie (1971), 19(2), 91-110
^ Wei, Xialu; Back, Christina; Izhvanov, Oleg; Haines, Christopher; Olevsky, Eugene (2016). 「スパークプラズマ焼結とホットプレスによるジルコニウムカーバイドの製造：緻密化速度、粒成長、熱特性」. Materials . 9 (7): 577. Bibcode :2016Mate....9..577W. doi : 10.3390/ma9070577 . PMC 5456903. PMID 28773697 .
^ Sacks, Michael D.; Wang, Chang-An; Yang, Zhaohui; Jain, Anubhav (2004). 「溶液誘導前駆体を用いたナノ結晶ジルコニウムカーバイドおよびハフニウムカーバイド粉末の炭素熱還元合成」。Journal of Materials Science。39 ( 19 ): 6057– 6066。Bibcode :2004JMatS..39.6057S。doi :10.1023/B: JMSC.0000041702.76858.a7。S2CID 94979802 。
^ Yiguang Wang; Qiaomu Liu; Jinling Liu; Litong Zhang; Laifei Cheng (2008年1月). 「ジルコニウムカーバイドコーティングの化学蒸着の堆積メカニズム」. Journal of the American Ceramic Society . 91 (4): 1249– 1252. doi :10.1111/j.1551-2916.2007.02253.x . 2021年12月27日閲覧。

[crc-1] 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。

[hicse-2] ペリー、デール L. (2011). 無機化合物ハンドブック (第 2 版). CRC プレス. p. 472. ISBN 978-1-4398-1461-1。

[acs-3] Kempter, CP; Fries, RJ (1960). 「結晶構造データ. 189. 炭化ジルコニウム」.分析化学. 32 (4): 570. doi :10.1021/ac60160a042.

[nist-4] ジルコニウムカーバイド、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、ゲイザースバーグ (MD) (2014-06-30 取得)

[baker-5] Baker, FB; Storms, EK; Holley, CE (1969). 「炭化ジルコニウムの生成エンタルピー」. Journal of Chemical & Engineering Data . 14 (2): 244. doi :10.1021/je60041a034.

[sigma-6] Sigma-Aldrich Co.、ジルコニウム(IV)カーバイド。2014年6月30日閲覧。

[7] 遷移金属炭化物、特にタンタル炭化物の硬度の測定と理論。Schwab, GM; Krebs, A. Phys.-Chem. Inst., Univ. Muenchen, Munich, Fed. Rep. Ger. Planseeberichte fuer Pulvermetallurgie (1971), 19(2), 91-110

[8] Wei, Xialu; Back, Christina; Izhvanov, Oleg; Haines, Christopher; Olevsky, Eugene (2016). 「スパークプラズマ焼結とホットプレスによるジルコニウムカーバイドの製造：緻密化速度、粒成長、熱特性」. Materials . 9 (7): 577. Bibcode :2016Mate....9..577W. doi : 10.3390/ma9070577 . PMC 5456903. PMID 28773697 .

[9] Sacks, Michael D.; Wang, Chang-An; Yang, Zhaohui; Jain, Anubhav (2004). 「溶液誘導前駆体を用いたナノ結晶ジルコニウムカーバイドおよびハフニウムカーバイド粉末の炭素熱還元合成」。Journal of Materials Science。39 ( 19 ): 6057– 6066。Bibcode :2004JMatS..39.6057S。doi :10.1023/B: JMSC.0000041702.76858.a7。S2CID 94979802 。

[10] Yiguang Wang; Qiaomu Liu; Jinling Liu; Litong Zhang; Laifei Cheng (2008年1月). 「ジルコニウムカーバイドコーティングの化学蒸着の堆積メカニズム」. Journal of the American Ceramic Society . 91 (4): 1249– 1252. doi :10.1111/j.1551-2916.2007.02253.x . 2021年12月27日閲覧。