Контент меню
● Что определяет солидную сеть?
>> Ключевые свойства сетевых твердых веществ
● Атомная структура карбида вольфрама
>> 1. Гексагональная (α-WC) структура
>> 2. Кубическая (β-WC) структура
>> Характеристики связывания: ковалент против металлического
● Физические и химические свойства
>> Тепловая и химическая стабильность
● Синтез и производство
>> 1. Производство порошка
>> 2. спекание
● Приложения, использующие структуру сети
>> 1. Инструменты резки и бурения
>> 2. износостойкие покрытия
>> 3. Высокотемпературные компоненты
>> 4. потребительские товары
● Сравнительный анализ: WC против других сетевых твердых веществ
>> Сходства
>> Различия
● Заключение
● Часто задаваемые вопросы
>> 1. Является ли карбид вольфрама или металл или металл?
>> 2. Почему карбид вольфрама проводит электричество, несмотря на то, что он является сетью?
>> 3. Как твердость карбида вольфрама сравнивается с Diamond?
>> 4. На какие отрасли наиболее полагаются на карбид вольфрама?
>> 5. Как синтезируется карбид вольфрама?
● Цитаты:
Карбид вольфрама (WC) - это керамическое соединение, известное своей необычайной твердостью, высокой температурой плавления и промышленной универсальностью. Его уникальная атомная структура и характеристики связывания вызвали дебаты о ее классификации как сети. В этой статье рассматриваются его структурные свойства, сравнивают его с классическими сетевыми твердыми веществами, такими как Diamond, исследует его методы синтеза и решает общие вопросы о его поведении и приложениях.
Что определяет солидную сеть?
Сетевые твердые тела, также называемые ковалентными сетевыми твердыми веществами, представляют собой материалы, где атомы взаимосвязаны ковалентными связями в непрерывной трехмерной решетке. Эти структуры не имеют дискретных молекул и демонстрируют высокие точки плавления, жесткость и плохую электрическую проводимость из -за локализованных электронов. Классические примеры включают в себя:
- Алмаз: тетраэдрическая углеродная решетка (рис. 1а).
- Кварц (SIO₂): структура тетраэдры кремния-кислорода.
- Кремниевый карбид (sic): алмазнообразная структура с чередующимися кремниевыми и углеродными атомами.
Ключевые свойства сетевых твердых веществ
- Высокие точки плавления (например, алмазные возвышенные при 3500 ° C).
- Исключительная твердость из -за жестких ковалентных связей.
- Низкая электропроводность (кроме графита, который имеет делокализованные π-электроны).
- Хрупкая природа с минимальной пластической деформацией под напряжением.
Атомная структура карбида вольфрама
Карбид вольфрама кристаллизуется в двух первичных формах, с различными схемами связи:
1. Гексагональная (α-WC) структура
Термодинамически стабильная α-фаза принимает простую шестиугольную решетку (рис. 1B):
- Атомы вольфрама образуют плотные слои.
- Атомы углерода занимают 50% тригональных призматических междоустей, создавая соотношение WC 1: 1.
- Каждый атом вольфрамового атома ковалентно с шестью соседями углерода (Длина связи: 220 PM).
Это расположение напоминает трехмерную ковалентную сеть, сродни алмазу, но с чередующимися металлическими углеродными слоями.
2. Кубическая (β-WC) структура
Метастабильная β-фаза имеет структуру скальной соли (NaCl):
- Атомы вольфрама и углерода занимают чередующиеся кубические позиции.
- Эта фаза формируется выше 2500 ° C, но быстро преобразуется в α-WC при охлаждении.
Характеристики связывания: ковалент против металлического
В то время как ковалентные связи доминируют в α-WC, появляются тонкие металлические признаки:
- Частичная электронная делокализация: перекрывающиеся D-орбитали вольфрамового вольфрама позволяют ограничить подвижность электронов, давая электрическое удельное сопротивление (~ 0,2 мкм · м) ближе к металлам, чем керамика.
- пластичность в композитах: чистый WC является хрупкой, но добавление связующих кобальта (CO) обеспечивает пластическую деформацию при напряжении.
Физические и химические свойства
Карбид вольфрама демонстрирует смесь керамических и металлических свойств:
| Property |
Carbide Carbide |
Diamond |
Carbide Carbide (AISI 1045) |
| Твердость (МОС) |
9.0–9.5 |
10 |
4–4.5 |
| Температура плавления (° C) |
2870 |
3500 (Sublimes) |
1425–1,520 |
| Электрическое удельное сопротивление (мкм · м) |
0.2 |
~ 10⊃1; ⊃2; |
0.15 |
| Теплопроводность (W/M · K) |
110 |
900–2,300 |
50 |
| Прочность на сжатие (GPA) |
6.76 |
110 |
0,25–0,35 |
Тепловая и химическая стабильность
- Устойчивость к окислению: стабильная в воздухе до 500–600 ° C; формируется WO₃ и CO₂ выше 600 ° C.
- Кислотная устойчивость: инертный до соляной и серной кислоты, но растворяется в смесях HF/HNO₃.
Синтез и производство
Карбид вольфрама синтезируется в двух этапах:
1. Производство порошка
- Прямое карбинизация: вольфрамовый порошок реагирует с углеродным черным при 1400–2000 ° C:
W+CΔWC
-Газофазные методы: химическое осаждение паров (CVD) создает ультраколевые порошки WC для покрытий.
2. спекание
Порошки смешиваются с кобальтом (3–30 мас.%) И спеченные при 1300–1 500 ° C для образования плотных композитов (рис. 2). Кобальт действует как связующее, заполняя зазоры между зернами WC и усиливая прочность.
Приложения, использующие структуру сети
Ковалентная решетка вольфрамового карбида лежит в основе его промышленного доминирования:
1. Инструменты резки и бурения
- Композиты WC-CO доминируют в обрабатывающей промышленности.
- Высокая износостойкость обеспечивает высокоскоростную резку сплавов и композитов (рис. 3).
2. износостойкие покрытия
-Высокоскоростные отложения опрыскивания кислородного топлива (HVOF) на аэрокосмических компонентах.
- Алмазоподобные углеродные (DLC) покрытия с наночастицами WC усиливают автомобильные детали двигателя.
3. Высокотемпературные компоненты
- Ракетные сопло вкладыша: тепловая стабильность WC выдерживает выхлопную синхцию (> 2000 ° C).
- Экранины ядерного реактора: WC-B₄C Композиты блокируют нейтроновое излучение.
4. потребительские товары
- Ювелирные изделия: спеченные кольца WC сопротивляются царапинам лучше, чем платина или золото.
- Спортивные товары: гольф-клубы WC-Tiped и велосипедные педали повышают долговечность.
Сравнительный анализ: WC против других сетевых твердых веществ
Сходства
- 3D ковалентная связь определяет структурную целостность.
- Высокая твердость сопротивляется пластической деформации.
Различия
- Электрическая проводимость: WC проводит электричество; Алмаз и кварц нет.
- Тяжесть перелома: композиты WC-CO (10–20 MPA√m) превосходят Diamond (5–10 MPA√m).
Заключение
Карбид вольфрама квалифицируется как сеть твердое вещество из -за взаимосвязанной ковалентной решетки. Тем не менее, его электрическая проводимость и адаптивность на уровне металлического уровня в составной форме бросают вызов традиционным керамическим классификациям. Эти двойные черты, укоренившиеся в ее атомной структуре и производственных инновациях, являются необходимыми в отраслях, требующих крайней долговечности и точности.
Часто задаваемые вопросы
1. Является ли карбид вольфрама или металл или металл?
Карбид вольфрама - это керамика с ковалентной связью. Тем не менее, он часто сочетается с металлическими связующими, такими как кобальт, образуя Cermets, которые демонстрируют гибридные свойства.
2. Почему карбид вольфрама проводит электричество, несмотря на то, что он является сетью?
Его шестиугольная решетка позволяет частичная делокализация электронов, аналогичную графиту. Перекрытие D-орбиталей вольфрамового вольфрама облегчает подвижность электронов, что дает удельное сопротивление, сродни металлам.
3. Как твердость карбида вольфрама сравнивается с Diamond?
WC (MOHS 9,0–9,5) немного мягче, чем алмаз (MOHS 10), но сложнее, чем Corundum (Sapphire/Ruby).
4. На какие отрасли наиболее полагаются на карбид вольфрама?
Горнодобывающая, аэрокосмическая и производственная используют WC для режущих инструментов, износостойких покрытий и высокотемпературных компонентов.
5. Как синтезируется карбид вольфрама?
Порошок WC производится посредством прямого карбинизации вольфрамового металла при 1400–2000 ° C. Спекание с кобальтовыми связями создает плотные композиты.
Цитаты:
[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
