Meniu de conținut
● Ce definește o rețea solidă?
>> Proprietățile cheie ale solidelor de rețea
● Structura atomică a carburii de tungsten
>> 1. Structura hexagonală (α-WC)
>> 2. Structura cubică (β-WC)
>> Caracteristici de legare: covalent vs. metalic
● Proprietăți fizice și chimice
>> Stabilitate termică și chimică
● Sinteză și fabricație
>> 1. Producția de pulbere
>> 2. Sintering
● Aplicații care utilizează structura rețelei
>> 1. Instrumente de tăiere și foraj
>> 2. Acoperiri rezistente la uzură
>> 3. Componente la temperatură ridicată
>> 4. Produse de consum
● Analiză comparativă: WC vs. alte solide de rețea
>> Asemănări
>> Diferențe
● Concluzie
● FAQ
>> 1. Este carbul de tungsten un ceramică sau un metal?
>> 2. De ce efectuează carbura de tungsten electricitate, în ciuda faptului că este un solid de rețea?
>> 3. Cum se compară duritatea Carbidei Tungsten cu Diamond?
>> 4. Ce industrii se bazează cel mai mult pe carbura de tungsten?
>> 5. Cum este sintetizat carbura de tungsten?
● Citări:
Tungsten Carbide (WC) este un compus ceramic renumit pentru duritatea sa extraordinară, punctul de topire ridicat și versatilitatea industrială. Structura sa unică atomică și caracteristicile de legătură au stârnit dezbateri despre clasificarea sa ca solid de rețea. Acest articol explorează proprietățile sale structurale, îl compară cu solidele clasice de rețea precum Diamond, își examinează metodele de sinteză și abordează întrebări comune despre comportamentul și aplicațiile sale.
Ce definește o rețea solidă?
Solidele de rețea, numite și solide de rețea covalentă, sunt materiale în care atomii sunt interconectați de legături covalente într-o rețea tridimensională continuă. Aceste structuri nu au molecule discrete și prezintă puncte de topire ridicate, rigiditate și conductivitate electrică slabă din cauza electronilor localizați. Exemple clasice includ:
- Diamond: o rețea de carbon tetraedric (figura 1A).
- Quartz (sio₂): un cadru al tetraedrei de siliciu-oxigen.
- Carbură de siliciu (SIC): o structură asemănătoare cu diamantul cu atomi alternativi de siliciu și carbon.
Proprietățile cheie ale solidelor de rețea
- Puncte de topire ridicate (de exemplu, subțiri de diamant la 3.500 ° C).
- Duritate excepțională datorată legăturilor covalente rigide.
- Conductivitate electrică scăzută (cu excepția grafitului, care a delocalizat electroni π).
- Natura fragilă cu o deformare plastică minimă sub stres.
Structura atomică a carburii de tungsten
Carbura de tungsten cristalizează în două forme primare, cu modele de legare distincte:
1. Structura hexagonală (α-WC)
Faza α-termodinamic stabilă adoptă o rețea hexagonală simplă (Figura 1B):
- Atomii de tungsten formează straturi pline de apropiere.
- Atomii de carbon ocupă 50% din interstițiile prismatice trigonale, creând un raport WC de 1: 1.
- Fiecare atom de tungsten se leagă covalent la șase vecini de carbon (lungimea legăturii: 220 pm).
Acest aranjament seamănă cu o rețea 3D covalentă, asemănătoare cu diamantul, dar cu straturi alternative de carbon metalic.
2. Structura cubică (β-WC)
Faza β metastabilă are o structură de sare de rocă (NaCl):
- Atomii de tungsten și carbon ocupă poziții cubice alternative centrate pe față.
- Această fază se formează peste 2.500 ° C, dar se transformă rapid în α-WC la răcire.
Caracteristici de legare: covalent vs. metalic
În timp ce legăturile covalente domină în α-WC, apar trăsături metalice subtile:
- Delocalizarea parțială a electronilor: suprapunerea D-orbitalelor de tungsten permit o mobilitate limitată a electronilor, obținând rezistivitate electrică (~ 0,2 μω · m) mai aproape de metale decât ceramica.
- Ductabilitatea în compozite: WC pur este fragilă, dar adăugarea lianților de cobalt (CO) permite deformarea plastică sub stres.
Proprietăți fizice și chimice
Carbura de tungsten prezintă un amestec de proprietăți ceramice și metalice:
| Proprietate din oțel |
din carbură de tungsten |
cu diamant |
(AISI 1045) |
| Duritate (mohs) |
9.0–9.5 |
10 |
4–4.5 |
| Punct de topire (° C) |
2.870 |
3.500 (sublim) |
1.425–1.520 |
| Rezistivitate electrică (μω · m) |
0.2 |
~ 10⊃1; ⊃2; |
0.15 |
| Conductivitate termică (W/M · K) |
110 |
900–2.300 |
50 |
| Rezistența la compresiune (GPA) |
6.76 |
110 |
0,25–0,35 |
Stabilitate termică și chimică
- rezistență la oxidare: stabilă în aer până la 500–600 ° C; Formulare Wo₃ și CO₂ peste 600 ° C.
- Rezistență la acid: inert la acizi clorhidric și sulfurici, dar se dizolvă în amestecurile HF/HNO₃.
Sinteză și fabricație
Carbura de tungsten este sintetizată în două etape:
1. Producția de pulbere
- Carburizare directă: pulberea de tungsten reacționează cu negru de carbon la 1.400–2.000 ° C:
W+CΔWC
-Metode în faza de gaz: Depunerea de vapori chimici (CVD) creează pulberi WC ultra-fine pentru acoperiri.
2. Sintering
Pulberile sunt amestecate cu cobalt (3-30%în greutate) și sinterizate la 1.300–1.500 ° C pentru a forma compozite dense (Figura 2). Cobalt acționează ca un liant, umplând lacunele dintre cerealele WC și îmbunătățirea durității.
Aplicații care utilizează structura rețelei
Lattice covalentă a carbidei din Tungsten stă la baza dominanței sale industriale:
1. Instrumente de tăiere și foraj
- Compozitele WC-CO domină industria de prelucrare.
- Rezistența superioară la uzură permite tăierea de mare viteză a aliajelor și compozitelor (figura 3).
2. Acoperiri rezistente la uzură
-Combustibil cu oxigen cu mare viteză (HVOF) Depozite de pulverizare Acoperiri WC-CO pe componente aerospațiale.
- Acoperirile de carbon cu diamante (DLC) cu nanoparticule WC îmbunătățesc piesele motorului auto.
3. Componente la temperatură ridicată
- garnituri de duze de rachetă: Stabilitatea termică a WC rezistă la evacuarea de propulsie (> 2.000 ° C).
- Scuturi ale reactorului nuclear: compozite WC-B₄C bloc radiații de neutroni.
4. Produse de consum
- Bijuterii: Inelele WC sinterizate rezistă la zgârieturi mai bune decât platina sau aurul.
- articole sportive: cluburile de golf cu vârf WC și pedalele de biciclete îmbunătățesc durabilitatea.
Analiză comparativă: WC vs. alte solide de rețea
Asemănări
- Legarea covalentă 3D definește integritatea structurală.
- Duritatea ridicată rezistă deformării plastice.
Diferențe
- Conductivitate electrică: WC conduce electricitate; Diamantul și cuarțul nu.
- Durerea fracturii: compozitele WC-CO (10-20 mPA√m) depășesc diamantul (5-10 mpa√m).
Concluzie
Carbura de tungsten se califică ca o rețea solidă datorită rețelelor covalente interconectate. Cu toate acestea, conductivitatea electrică la nivel metalic și adaptabilitatea în formă compusă provoacă clasificări ceramice tradiționale. Aceste trăsături duale - înrădăcinate în structura atomică și inovațiile de fabricație - o fac indispensabilă în industriile care solicită o durabilitate și o precizie extremă.
FAQ
1. Este carbul de tungsten un ceramică sau un metal?
Carbura de tungsten este o ceramică cu legare covalentă. Cu toate acestea, este adesea combinat cu lianți metalici precum cobalt pentru a forma cermete, care prezintă proprietăți hibride.
2. De ce efectuează carbura de tungsten electricitate, în ciuda faptului că este un solid de rețea?
Rețeaua sa hexagonală permite delocalizarea parțială a electronilor, similară cu grafitul. Suprapunerea d-orbitaților din Tungsten facilitează mobilitatea electronilor, obținând rezistivitate asemănătoare cu metalele.
3. Cum se compară duritatea Carbidei Tungsten cu Diamond?
WC (MOHS 9.0–9.5) este puțin mai moale decât diamantul (Mohs 10), dar mai greu decât corundul (safir/rubin).
4. Ce industrii se bazează cel mai mult pe carbura de tungsten?
Utilizează WC minieră, aerospațială și fabricație pentru unelte de tăiere, acoperiri rezistente la uzură și componente la temperaturi ridicate.
5. Cum este sintetizat carbura de tungsten?
Pulberea WC este produsă prin carburizarea directă a metalului de tungsten la 1.400-2.000 ° C. Sinterizarea cu lianți de cobalt creează compozite dense.
Citări:
[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://lodricrouxmatci.wordpress.com/35-2/
[11] https://www.doubtnut.com/qna/12974648
[12] http://www.tungsten-carbide.com.cn
[13] https://periodicticable.com/elements/074/pictures.html
