Menu treści
● Co definiuje solidne sieci?
>> Kluczowe właściwości stałych sieciowych
● Struktura atomowa węglika wolframowego
>> 1. Struktura sześciokątna (α-WC)
>> 2. Struktura sześcienna (β-WC)
>> Charakterystyka wiązania: kowalencyjny vs. metalowy
● Właściwości fizyczne i chemiczne
>> Stabilność termiczna i chemiczna
● Synteza i produkcja
>> 1. Produkcja proszku
>> 2. Spiekanie
● Aplikacje wykorzystujące strukturę sieci
>> 1. Narzędzia do cięcia i wiercenia
>> 2. Powłoki odporne na zużycie
>> 3. Komponenty w wysokiej temperaturze
>> 4. Produkty konsumenckie
● Analiza porównawcza: WC vs. inne stałe sieciowe
>> Podobieństwa
>> Różnice
● Wniosek
● FAQ
>> 1. Czy Carbide Tungsten jest ceramiką czy metalem?
>> 2. Dlaczego węglika wolframowa prowadzi energię elektryczną, mimo że jest solidną siecią?
>> 3. W jaki sposób twardość węglików Tungsten porównuje się do Diamond?
>> 4. Jakie branże najbardziej polegają na węgliku wolframu?
>> 5. Jak zsyntetyzuje się węglika wolframowe?
● Cytaty:
Tungsten Carbide (WC) to ceramiczny związek znany ze swojej niezwykłej twardości, wysokiej temperatury topnienia i wszechstronności przemysłowej. Jego unikalna struktura atomowa i cechy wiązania wywołały debaty na temat jej klasyfikacji jako solidnego sieci. W tym artykule bada jego właściwości strukturalne, porównuje go z klasycznymi ciałami sieciowymi, takimi jak Diamond, analizuje metody syntezy i zajmuje się wspólnymi pytaniami na temat jego zachowania i zastosowań.
Co definiuje solidne sieci?
Stoli sieciowe, zwane również stałymi sieciami kowalencyjnymi, są materiałami, w których atomy są powiązane z wiązaniami kowalencyjnymi w ciągłej trójwymiarowej sieci. Struktury te nie mają dyskretnych cząsteczek i wykazują wysokie temperatury topnienia, sztywność i słabą przewodność elektryczną z powodu zlokalizowanych elektronów. Klasyczne przykłady obejmują:
- Diament: czworościenna sieć węgla (ryc. 1A).
- kwarc (SiO₂): ramy tetrahedry krzem-tlenek.
- węglika krzemu (SIC): struktura podobna do diamentu z naprzemiennymi krzemem i atomami węgla.
Kluczowe właściwości stałych sieciowych
- Wysokie temperatury topnienia (np. Diamond Sublimy w temperaturze 3500 ° C).
- Wyjątkowa twardość z powodu sztywnych kowalencyjnych wiązań.
- Niski przewodność elektryczna (z wyjątkiem grafitu, który delokalizował π-elektronów).
- Krucha natura z minimalnym odkształceniem plastycznym pod stresem.
Struktura atomowa węglika wolframowego
Węglenie wolframowe krystalizuje się w dwóch pierwotnych postaciach, z wyraźnymi wzorami wiązania:
1. Struktura sześciokątna (α-WC)
Stabilna termodynamicznie faza α przyjmuje prostą sześciokątną sieć (ryc. 1B):
- Atomy wolframowe tworzą blisko wypełnione warstwy.
- Atomy węgla zajmują 50% trygonalnych szczepionek pryzmatycznych, tworząc stosunek WC 1: 1.
- Każdy atom atomu wolframu wiąże kowalencyjnie do sześciu sąsiadów węglowych (długość wiązania: 220 pM).
Ten układ przypomina sieć kowalencyjną 3D, podobną do diamentu, ale z naprzemiennymi warstwami metalowo-węglowymi.
2. Struktura sześcienna (β-WC)
Metastable β-faza ma strukturę soli skalnej (NaCl):
- Atomy wolframu i węgla zajmują naprzemienne pozycje sześcienne skoncentrowane na twarzy.
- Ta faza tworzy powyżej 2500 ° C, ale szybko przekształca się w α-WC po chłodzeniu.
Charakterystyka wiązania: kowalencyjny vs. metalowy
Podczas gdy wiązania kowalencyjne dominują w α-WC, pojawiają się subtelne cechy metaliczne:
- Częściowa delokalizacja elektronów: nakładające się orbitale D wolframu pozwalają na ograniczoną ruchliwość elektronów, dając oporność elektryczną (~ 0,2 μΩ · m) bliżej metali niż ceramiki.
- Cropility w kompozytach: Czysty WC jest krucha, ale dodanie spoiwa kobaltowego (CO) umożliwia deformację tworzywa sztucznego pod napięciem.
Właściwości fizyczne i chemiczne
Węglenie wolframowe wykazuje mieszankę właściwości ceramicznych i metalicznych:
| Diamentowa stal |
z terenu wolframowego |
węglika |
(AISI 1045) |
| Twardość (Mohs) |
9.0–9,5 |
10 |
4–4,5 |
| Temperatura topnienia (° C) |
2870 |
3500 (Sublimie) |
1 425–1,520 |
| Rezystywność elektryczna (μΩ · m) |
0.2 |
~ 10⊃1; ⊃2; |
0.15 |
| Przewodność cieplna (w/m · k) |
110 |
900–2 300 |
50 |
| Wytrzymałość na ściskanie (GPA) |
6.76 |
110 |
0,25–0,35 |
Stabilność termiczna i chemiczna
- Odporność na utlenianie: stabilna w powietrzu do 500–600 ° C; tworzy wo₃ i co₂ powyżej 600 ° C.
- Oporność kwasu: obojętne na kwasy solne i siarkowe, ale rozpuszcza się w mieszankach HF/HNO₃.
Synteza i produkcja
Węglenie wolframowe jest syntetyzowane w dwóch etapach:
1. Produkcja proszku
- Bezpośrednia gaźność: proszek wolframowy reaguje z sadą czarną w temperaturze 1400–2 000 ° C:
W+CδWC
-Metody w fazie gazowej: chemiczne odkładanie pary (CVD) tworzy ultra-fine proszki WC do powłok.
2. Spiekanie
Proszki mieszają się z kobaltem (3–30%wag.) I spiekane w temperaturze 1 300–1 500 ° C, tworząc gęste kompozyty (ryc. 2). Kobalt działa jak spoiwo, wypełniając luki między ziarnami WC i zwiększając wytrzymałość.
Aplikacje wykorzystujące strukturę sieci
Kowalencyjna sieć węglików Tungsten u podstaw jej dominacji przemysłowej:
1. Narzędzia do cięcia i wiercenia
- Kompozyty WC-CO dominują w branży obróbki.
- Najwyższa odporność na zużycie umożliwia szybkie cięcie stopów i kompozytów (ryc. 3).
2. Powłoki odporne na zużycie
-Paliwo tlenu o wysokiej prędkości (HVOF) Złogi spryskowe powłoki WC-CO na komponentach lotniczych.
- Powłoki węglowe podobne do diamentów (DLC) z nanocząstkami WC wzmacniają części silnika samochodowego.
3. Komponenty w wysokiej temperaturze
- Wkładki dysz rakietowych: stabilność termiczna WC wytrzymuje spalin napędowy (> 2000 ° C).
- Tarcze reaktora jądrowego: kompozyty WC-B₄C blokują promieniowanie neutronowe.
4. Produkty konsumenckie
- Biżuteria: spiekane pierścienie WC opierają się zarysowaniom lepiej niż platyna lub złoto.
- Wyroby sportowe: Kluby golfowe i pedały rowerowe w WC poprawia trwałość.
Analiza porównawcza: WC vs. inne stałe sieciowe
Podobieństwa
- wiązanie kowalencyjne 3D definiuje integralność strukturalną.
- Wysoka twardość odpowiada deformacji plastikowej.
Różnice
- Przewodnictwo elektryczne: WC prowadzi energię elektryczną; Diamond i kwarc nie.
- Wytrzymałość złamania: Kompozyty WC-CO (10–20 MPa√m) przewyższają diament (5–10 MPa√m).
Wniosek
Węglenie wolframowe kwalifikuje się jako solidna sieć ze względu na połączoną kowalencyjną sieć. Jednak jego metaliczna przewodność elektryczna i zdolność adaptacyjna w formie kompozytowej rzuca wyzwanie tradycyjnym klasyfikacjom ceramicznym. Te podwójne cechy - podlegały strukturze atomowej i innowacjom produkcyjnym - nie są w stanie branżowi wymagające ekstremalnej trwałości i precyzji.
FAQ
1. Czy Carbide Tungsten jest ceramiką czy metalem?
Węglenie wolframowe to ceramika z kowalencyjnym wiązaniem. Często jest jednak w połączeniu z metalicznymi spoiwaczami, takimi jak kobalt, tworząc cemety, które wykazują właściwości hybrydowe.
2. Dlaczego węglika wolframowa prowadzi energię elektryczną, mimo że jest solidną siecią?
Jego sześciokątna sieć umożliwia częściową delokalizację elektronów, podobną do grafitu. Nakładanie się D-orbitali Tungsten ułatwia mobilność elektronów, dając rezystywność podobną do metali.
3. W jaki sposób twardość węglików Tungsten porównuje się do Diamond?
WC (MOHS 9.0–9,5) jest nieco bardziej miękki niż diament (MOHS 10), ale twardszy niż Corundum (Sapphire/Ruby).
4. Jakie branże najbardziej polegają na węgliku wolframu?
Wydobycie, lotnicze i produkcyjne wykorzystują WC do narzędzi tnących, powłok odpornych na zużycie i komponentów o wysokiej temperaturze.
5. Jak zsyntetyzuje się węglika wolframowe?
Proszek WC jest wytwarzany poprzez bezpośrednią gaźnik metalu wolframu w temperaturze 1400–2 000 ° C. Spiekanie wiążki kobaltowe tworzy gęste kompozyty.
Cytaty:
[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-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
