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● Qu'est-ce qui définit un réseau solide?
>> Propriétés clés des solides du réseau
● Structure atomique du carbure de tungstène
>> 1. Structure hexagonale (α-WC)
>> 2. Structure cubique (β-WC)
>> Caractéristiques de liaison: covalent vs métallique
● Propriétés physiques et chimiques
>> Stabilité thermique et chimique
● Synthèse et fabrication
>> 1. Production de poudre
>> 2. Frittage
● Applications tirant parti de la structure du réseau
>> 1. Outils de coupe et de forage
>> 2. Revêtements résistants à l'usure
>> 3. Composants à haute température
>> 4. Produits de consommation
● Analyse comparative: WC vs d'autres solides de réseau
>> Similitudes
>> Différences
● Conclusion
● FAQ
>> 1. Le carbure de tungstène est-il une céramique ou un métal?
>> 2. Pourquoi le carbure de tungstène conduit-il de l'électricité malgré un réseau solide?
>> 3. Comment la dureté du carbure de tungstène se compare-t-elle au diamant?
>> 4. Quelles industries comptent le plus sur le carbure de tungstène?
>> 5. Comment le carbure de tungstène est-il synthétisé?
● Citations:
Le carbure de tungstène (WC) est un composé en céramique réputé pour sa dureté extraordinaire, son point de fusion élevé et sa polyvalence industrielle. Sa structure atomique unique et ses caractéristiques de liaison ont déclenché des débats sur sa classification en tant que solide de réseau. Cet article explore ses propriétés structurelles, la compare aux solides de réseau classiques comme Diamond, examine ses méthodes de synthèse et aborde des questions courantes sur son comportement et ses applications.
Qu'est-ce qui définit un réseau solide?
Les solides du réseau, également appelés solides de réseau covalents, sont des matériaux où les atomes sont interconnectés par des liaisons covalentes dans un réseau en trois dimensions continu. Ces structures manquent de molécules discrètes et présentent des points de fusion élevés, une rigidité et une mauvaise conductivité électrique en raison d'électrons localisés. Les exemples classiques incluent:
- Diamond: un réseau de carbone tétraédrique (figure 1A).
- Quartz (Sio₂): un cadre de tétraèdre de silicium-oxygène.
- Carbure de silicium (sic): une structure de type diamant avec des atomes de silicium et de carbone en alternance.
Propriétés clés des solides du réseau
- Points de fusion élevés (par exemple, Diamond Sublimes à 3 500 ° C).
- dureté exceptionnelle due à des liaisons covalentes rigides.
- Faible conductivité électrique (sauf le graphite, qui a délocalisé les électrons π).
- Nature fragile avec une déformation plastique minimale sous stress.
Structure atomique du carbure de tungstène
Le carbure de tungstène cristallise sous deux formes primaires, avec des modèles de liaison distincts:
1. Structure hexagonale (α-WC)
La phase α thermodynamiquement stable adopte un simple réseau hexagonal (figure 1b):
- Les atomes de tungstène forment des couches rapprochées.
- Les atomes de carbone occupent 50% des interstices prismatiques trigonaux, créant un rapport WC de 1: 1.
- Chaque atome de tungstène se lie de manière covalente à six voisins en carbone (longueur de liaison: 220 h).
Cet arrangement ressemble à un réseau covalent 3D, semblable au diamant mais avec des couches métal-carbone alternées.
2. Structure cubique (β-WC)
La phase β métastable a une structure de sel de roche (NaCl):
- Les atomes de tungstène et de carbone occupent des positions cubiques alternées centrées sur le visage.
- Cette phase se forme au-dessus de 2 500 ° C mais convertit rapidement en α-WC lors du refroidissement.
Caractéristiques de liaison: covalent vs métallique
Alors que les liaisons covalentes dominent en α-WC, des traits métalliques subtils émergent:
- Delocalisation d'électrons partielle: les orbitales D chevauchants du tungstène permettent une mobilité électronique limitée, produisant une résistivité électrique (~ 0,2 μΩ · m) plus près des métaux que la céramique.
- Ductilité dans les composites: le WC pur est cassant, mais l'ajout de liants de cobalt (CO) permet une déformation plastique sous contrainte.
Propriétés physiques et chimiques
Le carbure de tungstène présente un mélange de propriétés en céramique et métallique:
| propriété en |
carbure de tungstène en acier |
en diamant |
(AISI 1045) |
| Dureté (mohs) |
9.0–9.5 |
10 |
4-4,5 |
| Point de fusion (° C) |
2 870 |
3 500 (sublimes) |
1 425–1,520 |
| Résistivité électrique (μω · m) |
0.2 |
~ 10⊃1; ⊃2; |
0.15 |
| Conductivité thermique (w / m · k) |
110 |
900–2,300 |
50 |
| Résistance à la compression (GPA) |
6.76 |
110 |
0,25–0,35 |
Stabilité thermique et chimique
- Résistance à l'oxydation: stable dans l'air jusqu'à 500–600 ° C; Forme Wo₃ et Co₂ au-dessus de 600 ° C.
- Résistance à l'acide: inerte aux acides chlorhydrique et sulfurique mais se dissout dans des mélanges HF / HNO₃.
Synthèse et fabrication
Le carbure de tungstène est synthétisé en deux étapes:
1. Production de poudre
- Carbure directe: la poudre de tungstène réagit avec du noir de carbone à 1 400 à 2 000 ° C:
W + cΔwc
- Méthodes en phase gazeuse: Le dépôt de vapeur chimique (CVD) crée des poudres WC ultra-fin pour les revêtements.
2. Frittage
Les poudres sont mélangées avec du cobalt (3–30% en poids) et frittées à 1 300–1 500 ° C pour former des composites denses (figure 2). Cobalt agit comme un liant, remplissant les lacunes entre les grains WC et améliorant la ténacité.
Applications tirant parti de la structure du réseau
Le réseau covalent du carbure de tungstène sous-tend sa domination industrielle:
1. Outils de coupe et de forage
- Les composites WC-Co dominent l'industrie de l'usinage.
- La résistance à l'usure supérieure permet une coupe à grande vitesse des alliages et des composites (figure 3).
2. Revêtements résistants à l'usure
- Les dépôts de pulvérisation de carburant d'oxygène à grande vitesse (HVOF) sont des revêtements WC-CO sur des composants aérospatiaux.
- Revêtements de carbone de type diamant (DLC) avec des nanoparticules WC améliorent les pièces du moteur automobile.
3. Composants à haute température
- Doublures de buse de fusée: la stabilité thermique de WC résiste à l'échappement de la propulsion (> 2 000 ° C).
- Bouclier du réacteur nucléaire: les composites WC-B₄C bloquent le rayonnement des neutrons.
4. Produits de consommation
- Bijoux: les anneaux WC frittés résistent mieux aux rayures que le platine ou l'or.
- Articles de sport: les clubs de golf à pointe WC et les pédales de vélo améliorent la durabilité.
Analyse comparative: WC vs d'autres solides de réseau
Similitudes
- La liaison covalente 3D définit l'intégrité structurelle.
- La dureté élevée résiste à la déformation plastique.
Différences
- Conductivité électrique: WC mène l'électricité; Le diamant et le quartz ne le font pas.
- Fracture Noodness: Composites WC-Co (10–20 MPa√m) dépasser le diamant (5–10 MPa√m).
Conclusion
Le carbure de tungstène se qualifie comme un réseau solide en raison de son réseau covalent interconnecté. Cependant, sa conductivité électrique de niveau métallique et sa adaptabilité sous forme composite remettent en question les classifications céramiques traditionnelles. Ces traits doubles - rotés dans sa structure atomique et ses innovations manufacturières - le rendent indispensable dans les industries exigeant une durabilité et une précision extrêmes.
FAQ
1. Le carbure de tungstène est-il une céramique ou un métal?
Le carbure de tungstène est une céramique à collage covalent. Cependant, il est souvent combiné avec des liants métalliques comme le cobalt pour former des cermets, qui présentent des propriétés hybrides.
2. Pourquoi le carbure de tungstène conduit-il de l'électricité malgré un réseau solide?
Son réseau hexagonal permet une délocalisation d'électrons partielle, similaire au graphite. Le chevauchement des orbitales D du tungstène facilite la mobilité des électrons, produisant une résistivité semblable aux métaux.
3. Comment la dureté du carbure de tungstène se compare-t-elle au diamant?
WC (MOHS 9.0–9.5) est légèrement plus doux que le diamant (Mohs 10) mais plus dur que le corindum (saphir / ruby).
4. Quelles industries comptent le plus sur le carbure de tungstène?
L'exploitation minière, l'aérospatiale et la fabrication utilisent WC pour les outils de coupe, les revêtements résistants à l'usure et les composants à haute température.
5. Comment le carbure de tungstène est-il synthétisé?
La poudre WC est produite par carbure directe du métal de tungstène à 1 400 à 2 000 ° C. Le frittage avec des liants en cobalt crée des composites denses.
Citations:
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/tungsten_carbide
[2] https://www.vedantu.com/chemistry/tungsten-carbide
[3] https://scienceinfo.com/tungsten-carbide-properties-applications/
[4] https://www.istockphoto.com/photos/tungsten-carbide
[5] http://www.chinatungsten.com/tungsten-carbide/properties-of-nungsten-carbide.html
[6] https://www.linde-amt.com/resource-library/articles/tungsten-carbide
[7] https://www.refractorymetal.org/tungsten-carbide-uses-properties.html
[8] https://www.freepik.com/free-photos- vectors/tungsten-carbide
[9] https://en.wikipedia.org/wiki/file:-alpha_tungsten_carbide_crystal_structure.jpg
[10] https://lodricrouxmatsci.wordpress.com/35-2//
[11] https://www.doubtnut.com/qna/12974648
[12] http://www.tungsten-carbide.com.cn
[13] https://periodictable.com/elements/074/pictures.html
