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鄒小姐：13326633089 -
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“鋯”元素是材料人最熟悉的元素之一，是過渡金屬元素的重要組成部分。鋯的化合物也被廣泛應用在眾多國計民生領(lǐng)域，受到廣泛的重視。比如，鋯的氧化物“氧化鋯”是重要的耐火材料、陶瓷絕緣材料和陶瓷遮光劑以及人工鉆的主要原料；鋯的碳化物“碳化鋯”則具有過渡金屬碳化物的通用特點，如超高的硬度、超高的熔點、很好的耐腐蝕性及機械穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，在硬質(zhì)合金、切削刀具和高溫結(jié)構(gòu)材料等方面有著很好的應用。
在元素周期表上相鄰的鋯和鉿
目前，關(guān)于鋯的研究和應用已經(jīng)逐漸成熟，因此材料行業(yè)開始將眼光轉(zhuǎn)移至它的同族元素“鉿”——一種與鋯具有類似的性質(zhì)與用途，但具有更大的硬度和更高的熔點等性質(zhì)的元素。它的碳化物“碳化鉿”同樣也是一種典型的過渡金屬碳化物，粉末灰色，立方系晶體，是已知單一化合物中熔點最高者，還具有高達3890℃的熔點、高的硬度、較好的高溫強度、優(yōu)秀的耐腐蝕性和熱導率較低等優(yōu)異特性。
碳化鉿粉體（圖片來源：長玉特陶）
接下來，小編就帶您淺談一下碳化鉿的性質(zhì)與下游潛力。文章相關(guān)素材來自專業(yè)主攻800nm以下超細非氧化物粉體量產(chǎn)的吉林長玉特陶新材料技術(shù)股份有限公司（長玉特陶），如果想進一步了解這種高溫材料歡迎與他們聊聊哦。
一、碳化鉿的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)
碳化鉿(HfC)是過渡元素Hf與C形成的一種非化學計量的碳化物，即HfCx(0.5≤x≤1)。它的結(jié)構(gòu)是NaCl型的面心立方結(jié)構(gòu)，空間群是Fm3m，其實驗晶格常數(shù)a=0.4641 nm。Hf原子構(gòu)成立方晶格，C原子位于立方晶格的八面體間隙。
由于C-Hf共價鍵鍵能大，要破壞其結(jié)構(gòu)非常困難，因此HfC宏觀上表現(xiàn)出超高硬度特性，其莫式硬度為9M，僅次于金剛石；又由于HfC晶體熔化時必須破壞高度對稱分布的原子鍵，然而破壞此鍵極其困難，從而宏觀上表現(xiàn)出超高熔點的特性，且HfC的原子鍵的鍵能高達EA=87.2163kJ/mol，故HfC的熔點高達3890℃。
碳化鉿TEM圖（圖片來源：長玉特陶）
張淑華等人利用準諧德拜模型探索了碳化鉿熱力學性質(zhì)，得到以下結(jié)論：碳化鉿的熵、熱膨脹系數(shù)和等容熱容與溫度成正比相關(guān)關(guān)系，與壓力成反比相關(guān)關(guān)系，而其德拜溫度則是隨著壓力的升高而降低，隨著溫度的升高而減小。同時HfC還具有很好的耐沖擊性能，碳化鉿具體的基本性能可見下表。
碳化鉿的基本性能
二、碳化鉿的應用潛力
高熔點、高硬度、高溫強度及耐腐蝕性優(yōu)異…這些特征讓HfC在特種耐火材料、高溫結(jié)構(gòu)材料、切削刀具以及航空航天等領(lǐng)域有著廣泛的應用前景，以下是幾個代表應用。
1、切削工具
前文提到HfC的硬度很高（莫氏硬度為9M），僅次于金剛石，因此它可以作為硬質(zhì)合金的添加劑使用。這種復合后的硬質(zhì)合金不僅耐磨性強、抗壓強度高、硬度高，而且化學穩(wěn)定性良好，因而可廣泛應用于耐磨、耐腐蝕的產(chǎn)品中，切削刀具就是一個常見代表。
另外HfC在切削刀具領(lǐng)域中，憑借這些優(yōu)秀的性能還有另一種用法——“一枝獨秀”作為刀具涂層材料使用。據(jù)悉，HfC薄膜具有高的硬度、良好的耐磨性能和優(yōu)異的耐腐蝕性能，在刀具涂層有著極大的潛力。
2、發(fā)動機噴管喉襯
碳碳(C/C)復合材料具有比其他材料優(yōu)越的高溫熱物理和力學性能，目前是固體火箭發(fā)動機噴管喉襯的首選材料。但是在發(fā)動機的運轉(zhuǎn)過程中，C/C復合材料的喉襯會因為熱流的燒蝕而受到破壞，因而使得噴管的效率降低。
但若將HfC引入（C/C）復合材料中便可提高其抗燒蝕性能——除了HfC本身優(yōu)秀的強度和硬度可以提高復合材料的機械性能外，也因其在高溫下，HfC會優(yōu)先與氧氣反應形成HfO2，并且較ZrC而言，HfC的抗氧化能力更強，氧化生成的ZrO2層也更為致密，從而阻止有氧氣氛對復合材料中碳基體和碳纖維的氧化，是C/C復合材料體系中重要的抗氧化燒蝕添加劑。
3、渦輪轉(zhuǎn)子
渦輪轉(zhuǎn)子是用于制作航空、航天發(fā)動機的熱端部件，又是工業(yè)燃氣輪機、能源、化工等工業(yè)部門所需的高溫耐蝕材料。HfC具有高達 3900℃的熔點、超高的硬度、超強的耐磨性和優(yōu)異的抗腐蝕性能，因此它的加入能夠顯著提高渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)件系列合金在高溫下的強度和抗腐蝕能力。
三、碳化鉿的制備難度
各種優(yōu)異的性能讓HfC具有廣泛的應用前景，因而生產(chǎn)出性價比高的碳化鉿納米粉體就顯得尤為重要。然而由于HfC的合成溫度過高，制備成本較高，通過一般方法制得的HfC粉體質(zhì)量較差，粒徑以及純度很難達到最優(yōu)，自然應用上也會受到影響。
碳化鉿SEM圖（圖片來源：長玉特陶）
在制備門檻如此之高的情況下，目前國內(nèi)從事碳化鉿的研發(fā)與生產(chǎn)的企業(yè)并不多，上面提到的長玉特陶就是其中之一。為了制備純度高，粒徑小的HfC納米粉體材料，長玉特陶采用了一種針對超細粉體優(yōu)化的碳熱還原法，經(jīng)過獨特的原材料預處理和自行研制的專用設(shè)備，超細高純粉體得以在可控壓力和氣氛的真空中直接合成。具體的參數(shù)可看以下表格及圖片。
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名稱 |
化學組成（wt.%） |
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碳化鉿 HfC |
C total |
O max |
N max |
S max |
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6.1-6.3 |
0.3 |
0.1 |
0.02 |
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粒徑可根據(jù)用戶要求提供 （常備現(xiàn)貨粒徑為200-400nm和600-800nm） |
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粒徑分布及XRD圖譜
總之通過這招“拿手好戲”，相比較于一般工藝，由長玉特陶生產(chǎn)的超細HfC粉體具有粒度分布窄、流動性好、雜質(zhì)含量少、燒結(jié)活性高的特點，為其推廣應用打下了良好的基礎(chǔ)。若您對HfC這種優(yōu)秀的高溫材料感興趣并想進一步了解，歡迎通過粉體圈與長玉特陶取得聯(lián)系，共同挖掘HfC的下游潛力和應用前景。
粉體圈NANA
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