Меню за съдържание
● Въведение в волфрамовия карбид
>> Исторически произход
>> Методи за синтез
● Химическа структура и свързване
>> Кристална структура
>> Йонно срещу ковалентно свързване: сравнителен анализ
● Свойства на волфрамов карбид
>> Механични свойства
>> Топлинни и електрически свойства
>> Химическа устойчивост
● Разширени приложения на волфрамов карбид
>> Промишлени и потребителски употреби
>> Възникващи технологии
● Съображения за здраве, безопасност и екологични
>> Професионални опасности
>> Въздействие върху околната среда
● Заключение
● Често задавани въпроси
>> 1. Защо волфрамовият карбид не се счита за йонна?
>> 2. Може ли волфрамов карбид ръжда или корозира?
>> 3. Как кобалтът подобрява свойствата на волфрамовия карбид?
>> 4. Използва ли волфрамов карбид в потребителската електроника?
>> 5. Какво е бъдещето на волфрамовия карбид в зелената енергия?
● Цитати:
Волфрамовият карбид (WC) е съединение на волфрамовата и въглеродната, известна с изключителната си твърдост, високата точка на топене и разнообразните индустриални приложения. Въпреки че физическите му свойства са добре документирани, естеството на химическото му свързване-наон или ковалентно-представлява тема на научното проучване. Тази статия изследва структурата, свързването, свойствата, приложенията и последиците от волфрамов карбид, докато се обръща към своя йонен или ковалентен характер.
Въведение в волфрамовия карбид
Исторически произход
Волфрамовият карбид е синтезиран за първи път в края на 19 век от френския химик Анри Мойсан, който също открива синтетични диаманти. Въпреки това, индустриалният му потенциал не е реализиран до 20 -те години на миналия век, когато немските инженери разработват циментирани инструменти за карбид, като комбинират WC с кобалтови свързващи вещества. Тази иновация революционизира процесите на обработка, което позволява по -бързи и трайни инструменти за рязане.
Методи за синтез
Волфрамовият карбид се произвежда чрез реагиране на волфрамов прах с въглерод при температури между 1500 ° С и 2000 ° С във водородна или вакуумна среда. Реакцията следва:
W+C → WC
Съвременните техники включват:
- Карботермално намаляване: Използване на волфрамов оксид (WO₃) и въглерод във високотемпературна пещ.
- Химическо отлагане на пари (CVD): За създаване на тънки покрития на WC върху субстрати.
- Механично легиране: Волфрамово и въглеродни прахове за постигане на наноразмерни структури.
Химическа структура и свързване
Кристална структура
Волфрамов карбид кристализира в две първични форми:
1. Шестоъгълен (α-WC): Стабилен при стайна температура, с волфрамови атоми в шестоъгълна затворена решетка (HCP) решетка и въглерод, заемащи половината от октаедричните интерстициални места.
2. Cubic (β-WC): Форми при температури над 2600 ° C, приемащи структура на скално-сол (тип B1).
Дължината на връзката между волфрам и въглерод е ~ 220 ч., По -къса от типичните йонни връзки (напр. NaCl: ~ 280 pm), което предполага силни ковалентни взаимодействия.
Йонна срещу ковалентно свързване: Сропорочна
| собственост на анализ |
IONIC BOND (напр., NaCl) |
Ковалентна връзка (WC) |
| Електроотрицателност |
Висока разлика (Δχ = 2,23) |
Ниска разлика (Δχ = 0,8) |
| Точка на топене |
~ 800 ° C. |
~ 2,870 ° C. |
| Електрическа проводимост |
Лошо (изолатор) |
Високо (метален проводник) |
| Посока на връзката |
Неизолично |
Посока (локализирана) |
Малката разлика в електроотрицателността между волфрам (χ = 2,36) и въглерод (χ = 2,55) и металната проводимост на WC потвърждават ковалентното свързване с метални характеристики.
Свойства на волфрамов карбид
Механични свойства
Твърда:
- Скала на MOHS: 9.0–9.5 (диамант = 10).
- Твърда на Vickers: 2,200–2,400 HV, превъзхождащ титан и стомана.
- Издръжливост на счупване: ~ 6–8 MPa√m, по -нисък от стоманата, но смекчени от кобалтови свързващи вещества в композити.
- Плътност: 15,6 g/cm³, сравнима с уран и злато.
Топлинни и електрически свойства
- Точка на топене: 2870 ° C, което я прави подходящ за високотемпературна среда.
- Термична проводимост: 110 W/M · K, подобно на алуминий.
- Електрическо съпротивление: ~ 20 μΩ · cm, което позволява използването при електрически контакти.
Химическа устойчивост
- Резистентни към киселини (с изключение на HNO₃/HF смеси) и окисляване до 600 ° С.
- Уязвими от разтопени соли и алкални разтвори.
Разширени приложения на волфрамов карбид
Промишлени и потребителски употреби
1. Инструменти за обработка:
- WC-CO композитите доминират на пазара на режещи инструменти (напр. Крайни мелници, вложки).
- Пример: вложки на Sandvik Coromant 'GC4325 ' за аерокосмически сплави.
2. Аерокосмическо пространство:
- Покрития на турбинното острие и топлинни щитове в ракетни дюзи.
3. Медицински:
- Хирургически инструменти (напр. Остеотоми) и протези поради биосъвместимост.
Възникващи технологии
1. Производство на добавки:
- WC прахове се използват в 3D отпечатани инструменти със сложни геометрии.
2. Ядрено синтез:
- Изследван като материал, насочен към плазмата в реакторите на Токамак.
3. Нанотехнологии:
- WC наночастиците засилват каталитичните реакции, като еволюция на водород.
Съображения за здраве, безопасност и екологични
Професионални опасности
- Белодробни ефекти: Вдишването на WC прах може да причини 'твърда метална белодробна болест, ' форма на пневмокониоза.
- Канцерогенност: Класифициран като група 2B канцероген (вероятно канцерогенен) от IARC.
- Правила: OSHA налага ограничения на експозицията на работното място (<5 mg/m³ за дишащ прах).
Въздействие върху околната среда
- Добив: Извличането на волфрамов често включва минното дело, което води до унищожаване на местообитанията.
- Рециклиране: До 95% от скрап на WC се рециклират чрез процеси на цинк-прекламация.
- Инициативи за устойчивост: Компании като Kennametal насърчават системите за рециклиране със затворен контур.
Заключение
Ковалентното свързване на волфрамовия карбид е в основата на изключителната му твърдост, термична стабилност и електрическа проводимост. Приложенията му обхващат традиционните индустрии (минни, аерокосмически) и авангардни полета (ядрено синтез, нанотехнологии). Докато предизвикателствата като рисковете за здравето и въздействието върху околната среда продължават, напредъкът в рециклирането и производството на добавки обещават устойчиво бъдеще за използване на WC.
Често задавани въпроси
1. Защо волфрамовият карбид не се счита за йонна?
Волфрамов карбид липсва голямата разлика в електроотрицателността, необходима за йонна връзка. Проводимостта му и насочените връзки се приравняват с ковалентни/метални характеристики.
2. Може ли волфрамов карбид ръжда или корозира?
WC е силно устойчив на корозия, но се разгражда в окислителни киселини (напр. Азотна киселина) или алкални разтвори.
3. Как кобалтът подобрява свойствата на волфрамовия карбид?
Кобалтът действа като свързващо вещество, засилвайки здравината чрез запълване на пропуски между WC зърна.
4. Използва ли волфрамов карбид в потребителската електроника?
Да! Намира се в моторите за вибрации на смартфони и часовници за устойчивост на драскотини.
5. Какво е бъдещето на волфрамовия карбид в зелената енергия?
WC се изучава за катализатори на водородни горивни клетки и лагери на вятърните турбини, поддържащи възобновяеми енергийни системи.
Цитати:
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Tungsten_carbide
[2] https://chem.libretexts.org/bookshelves/general_chemistry/map:_a_molecular_approach_(tro)/23:_chemistry_of_the_nonmetals/23.05:_carbon_carbides_and_carbonates
[3] https://softschools.com/formulas/chemistry/tungsten_iv_carbide_formula/462/
[4] https://www.alamy.com/stock-photo/tungsten-carbide.html
[5] https://www.refractorymetal.org/tungsten-carbide-uses-properties.html
[6] https://www.chemicalbook.com/article/crystal-structure-and-uses-of-wungsten-carbide.htm
[7] https://www.gettyimages.hk/%E5%9 96%E7%87/tungsten-carbide?page=2
[8] https://en.wikipedia.org/wiki/File:-Alpha_tungsten_carbide_crystal_structure.jpg
[9] https://create.vista.com/photos/tungsten-carbide/
[10] https://www.reddit.com/r/askscience/comments/f26est/how_does_tungsten_bond_with_carbon_to_produce/
[11] https://en.wikipedia.org/wiki/Carbide
[12] https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/tungsten-carbide
[13] https://www.freepik.com/free-photos-vectors/tungsten
[14] https://www.shutterstock.com/search/tungsten-metal
[15] https://www.gettyimages.hk/%E5%9 96%E7%87/tungsten-carbide
[16] https://www.istockphoto.com/photos/tungsten-carbide
[17] https://www.atomic-scale-physics.de/lattice/struk/bh.html
[18] https://en.wikipedia.org/wiki/Tungsten
[19] https://www.vedantu.com/chemistry/carbide
