Tartalommenü
● Mi határozza meg a hálózati szilárd anyagot?
>> A hálózati szilárd anyagok legfontosabb tulajdonságai
● Volfrám -karbid atomszerkezete
>> 1. hatszögletű (α-WC) szerkezet
>> 2. köbös (β-WC) szerkezet
>> Kötési jellemzők: kovalens vs. fémes
● Fizikai és kémiai tulajdonságok
>> Termikus és kémiai stabilitás
● Szintézis és gyártás
>> 1. Por előállítás
>> 2. Szinterezés
● A hálózati struktúrát kihasználó alkalmazások
>> 1. vágási és fúrási eszközök
>> 2. Kopásálló bevonatok
>> 3. Magas hőmérsékletű alkatrészek
>> 4. Fogyasztási termékek
● Összehasonlító elemzés: WC vs. más hálózati szilárd anyagok
>> Hasonlóságok
>> Különbségek
● Következtetés
● GYIK
>> 1. A volfrám -karbid kerámia vagy fém?
>> 2. Miért viselkedik a volfrám -karbid villamos energiát, annak ellenére, hogy szilárd hálózati?
>> 3. Hogyan hasonlítja össze a Tungsten Carbide keménységét a gyémánthoz?
>> 4. Milyen iparágak támaszkodnak a legjobban a volfrám -karbidra?
>> 5. Hogyan szintetizálják a volfrám -karbidot?
● Idézetek:
A Tungsten Carbide (WC) egy kerámia vegyület, amely rendkívüli keménységéről, magas olvadáspontjáról és ipari sokoldalúságáról híres. Egyedülálló atomszerkezete és kötési jellemzői vitákat váltottak ki annak hálózati szilárdságának osztályozásáról. Ez a cikk feltárja annak szerkezeti tulajdonságait, összehasonlítja azt a klasszikus hálózati szilárd anyagokkal, mint például a Diamond, megvizsgálja annak szintézis módszereit, és foglalkozik a viselkedéssel és az alkalmazásokkal kapcsolatos általános kérdésekkel.
Mi határozza meg a hálózati szilárd anyagot?
A hálózati szilárd anyagok, más néven kovalens hálózati szilárd anyagok, olyan anyagok, amelyekben az atomokat kovalens kötések összekapcsolják egy folyamatos háromdimenziós rácsban. Ezeknek a struktúráknak nincs diszkrét molekulája, és magas olvadáspontokat, merevséget és rossz elektromos vezetőképességet mutatnak a lokalizált elektronok miatt. A klasszikus példák a következők:
- Gyémánt: tetraéder szénrács (1A. Ábra).
- Quartz (SIO₂): A szilícium-oxigén-tetraédra kerete.
- Szilícium-karbid (SIC): gyémántszerű szerkezet váltakozó szilícium- és szénatomokkal.
A hálózati szilárd anyagok legfontosabb tulajdonságai
- Magas olvadáspontok (pl. Diamond szublimok 3500 ° C -on).
- Kivételes keménység a merev kovalens kötések miatt.
- Alacsony elektromos vezetőképesség (a grafit kivételével, amely delokalizált π-elektronokat).
- Törékeny természet minimális plasztikus deformációval stressz alatt.
Volfrám -karbid atomszerkezete
A volfrám -karbid két elsődleges formában kristályosodik, különálló kötési mintákkal:
1. hatszögletű (α-WC) szerkezet
A termodinamikailag stabil α-fázis egyszerű hatszögletű rácsot fogad el (1B. Ábra):
- A volfrám atomok szorosan csomagolt rétegeket képeznek.
- A szénatomok a trigonális prizmatikus közbeiktatások 50% -át foglalják el, így 1: 1 WC -arányt eredményeznek.
- Minden volfrám -atom kovalensen köti össze a hat szén -dioxid -szomszédot (kötési hossz: 1420 pm).
Ez az elrendezés egy 3D-s kovalens hálózatra hasonlít, hasonlóan a gyémánthoz, de váltakozó fém-szén rétegekkel.
2. köbös (β-WC) szerkezet
A metastabil β-fázisnak kő só (NaCl) szerkezete van:
- A volfrám és a szénatomok váltakozó, arc-központú köbös pozíciókat foglalnak el.
- Ez a fázis 2500 ° C feletti, de hűtéskor gyorsan átalakul α-WC-re.
Kötési jellemzők: kovalens vs. fémes
Míg a kovalens kötések dominálnak az α-WC-ben, finom fémjegyek jelentkeznek:
- Részleges elektron-delokalizáció: A volfrám átfedő D-orbitáljai korlátozott elektronmobilitást tesznek lehetővé, és elektromos ellenállást (~ 0,2 μΩ · m) közelebb hoznak a fémekhez, mint a kerámiákhoz.
- A kompozitok rugalmassága: A tiszta WC törékeny, de a kobalt (CO) kötőanyagok hozzáadása lehetővé teszi a műanyag deformációt stressz alatt.
Fizikai és kémiai tulajdonságok
A volfrám -karbid kerámia és fém tulajdonságok keverékét mutatja:
| ingatlan |
volfrám -karbid |
gyémánt |
acél (AISI 1045) |
| Keménység (mohs) |
9.0–9.5 |
10 |
4–4.5 |
| Olvadási pont (° C) |
2,870 |
3500 (szublimok) |
1,425–1,520 |
| Elektromos ellenállás (μΩ · m) |
0.2 |
~ 10⊃1; ⊃2; |
0.15 |
| Hővezető képesség (w/m · k) |
110 |
900–2,300 |
50 |
| Nyomószilárdság (GPA) |
6.76 |
110 |
0,25–0,35 |
Termikus és kémiai stabilitás
- oxidációs ellenállás: stabil a levegőben 500–600 ° C -ig; A WO₃ és a CO₂ 600 ° C feletti képződése.
- Savak ellenállás: Inert a sósav és a kénsavak számára, de oldódik a HF/HNO₃ keverékekben.
Szintézis és gyártás
A volfrám -karbid két szakaszban szintetizálódik:
1. Por előállítás
- Közvetlen karburizáció: A volfrámpor 200–2000 ° C -on reagál a szén -dioxiddal:
W+CΔWC
-Gázfázisú módszerek: A kémiai gőzlerakódás (CVD) ultra-finom WC porokat hoz létre a bevonatokhoz.
2. Szinterezés
A porokat összekeverik a kobaltokkal (3–30 tömeg%), és szintereltek 1300–1 500 ° C -on, hogy sűrű kompozitokat képezzenek (2. ábra). A kobalt iratgyűjtőként működik, kitöltve a WC -szemcsék közötti réseket és a keménység fokozását.
A hálózati struktúrát kihasználó alkalmazások
Tungsten Carbide kovalens rácsja alátámasztja ipari dominanciáját:
1. vágási és fúrási eszközök
- A WC-CO kompozitok dominálnak a megmunkálási iparban.
- A kiváló kopásállóság lehetővé teszi az ötvözetek és kompozitok nagy sebességű vágását (3. ábra).
2. Kopásálló bevonatok
-Nagysebességű oxigénüzemanyag (HVOF) permetező lerakódások WC-CO bevonatait a repülőgép-alkatrészekre.
- Diamond-szerű szén (DLC) bevonatok WC nanorészecskékkel javítják az autómotor alkatrészeit.
3. Magas hőmérsékletű alkatrészek
- Rocket fúvóka bélés: A WC hőstabilitása ellenáll a meghajtó kipufogógáznak (> 2000 ° C).
- Nukleáris reaktor pajzsok: A WC-B₄C kompozitok blokkolják a neutron sugárzást.
4. Fogyasztási termékek
- Ékszerek: A szinterelt WC gyűrűk jobban ellenállnak a karcolásoknak, mint a platina vagy az arany.
- Sportcikkek: A WC-hegyes golfklubok és kerékpárpedálok javítják a tartósságot.
Összehasonlító elemzés: WC vs. más hálózati szilárd anyagok
Hasonlóságok
- A 3D kovalens kötés meghatározza a szerkezeti integritást.
- A nagy keménység ellenáll a műanyag deformációnak.
Különbségek
- Elektromos vezetőképesség: A WC villamos energiát vezet; Gyémánt és kvarc nem.
- Törési szilárdság: WC-CO kompozitok (10–20 MPA√M) meghaladja a gyémántot (5–10 MPA√M).
Következtetés
A volfrám -karbid hálózati szilárdnak minősül az összekapcsolt kovalens rács miatt. A fémszintű elektromos vezetőképesség és az adaptálhatóság kompozit formájában azonban kihívást jelent a hagyományos kerámia osztályozásokra. Ezek a kettős tulajdonságok - az atomszerkezetében és a gyártási innovációkban gyökerezik - nélkülözhetetlenek az iparágakban, amelyek szélsőséges tartósságot és pontosságot igényelnek.
GYIK
1. A volfrám -karbid kerámia vagy fém?
A volfrám -karbid egy kerámia, kovalens kötéssel. Ugyanakkor gyakran kombinálják a fémkötő szerekkel, mint például a kobalt, hogy cermet -ek képződjenek, amelyek hibrid tulajdonságokat mutatnak.
2. Miért viselkedik a volfrám -karbid villamos energiát, annak ellenére, hogy szilárd hálózati?
Hatszögletű rácsja lehetővé teszi a részleges elektron -delokalizációt, hasonlóan a grafithoz. A Tungsten D-orbitálisok átfedése megkönnyíti az elektron mobilitást, és a fémekhez hasonló ellenállást eredményez.
3. Hogyan hasonlítja össze a Tungsten Carbide keménységét a gyémánthoz?
A WC (MOHS 9.0–9,5) kissé lágyabb, mint a Diamond (MOHS 10), de nehezebb, mint a Corundum (Sapphire/Ruby).
4. Milyen iparágak támaszkodnak a legjobban a volfrám -karbidra?
A bányászat, a repülőgépipar és a gyártás használja a WC-t vágószerszámokhoz, kopásálló bevonatokhoz és magas hőmérsékletű alkatrészekhez.
5. Hogyan szintetizálják a volfrám -karbidot?
A WC port a volfrámfém közvetlen karburizációjával állítják elő, 1400–2000 ° C -on. A kobalt kötőanyagokkal való szinterelés sűrű kompozitokat hoz létre.
Idézetek:
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/tungsten_carbide
[2] https://www.vedantu.com/chemistry/tungsten-carbide
[3] https://scienceinfo.com/tungsten-carbide-properties-pplications/
[4] https://www.istockphoto.com/photos/tungsten-carbide
[5] http://www.chinatungsten.com/tungsten-carbide/properties-of-tungsten-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
