ทังสเตนคาร์ไบด์เป็นเครือข่ายที่มั่นคงหรือไม่?

เมนูเนื้อหา

อะไรกำหนดเครือข่ายของแข็ง?

- คุณสมบัติสำคัญของเครือข่ายของแข็ง

โครงสร้างอะตอมของทังสเตนคาร์ไบด์

- 1. โครงสร้างหกเหลี่ยม (α-WC)

- 2. โครงสร้างลูกบาศก์ (β-WC)

- ลักษณะพันธะ: โควาเลนต์กับเมทัลลิก

คุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมี

- เสถียรภาพทางความร้อนและเคมี

การสังเคราะห์และการผลิต

- 1. การผลิตผง

- 2. การเผา

แอปพลิเคชันใช้ประโยชน์จากโครงสร้างเครือข่าย

- 1. เครื่องมือตัดและขุดเจาะ

- 2. การเคลือบที่ทนต่อการสึกหรอ

- 3. ส่วนประกอบอุณหภูมิสูง

- 4. สินค้าอุปโภคบริโภค

การวิเคราะห์เปรียบเทียบ: WC กับของแข็งเครือข่ายอื่น ๆ

- ความคล้ายคลึงกัน

- ความแตกต่าง

บทสรุป

คำถามที่พบบ่อย

- 1. ทังสเตนคาร์ไบด์เป็นเซรามิกหรือโลหะหรือไม่?

- 2. ทำไมทังสเตนคาร์ไบด์จึงดำเนินการไฟฟ้าแม้จะเป็นเครือข่ายที่มั่นคง?

- 3. ความแข็งของทังสเตนคาร์ไบด์เปรียบเทียบกับเพชรได้อย่างไร

- 4. อุตสาหกรรมใดที่พึ่งพาทังสเตนคาร์ไบด์มากที่สุด?

- 5. ทังสเตนคาร์ไบด์สังเคราะห์อย่างไร?

การอ้างอิง:

Tungsten Carbide (WC) เป็นสารประกอบเซรามิกที่มีชื่อเสียงในด้านความแข็งที่ไม่ธรรมดาจุดหลอมเหลวสูงและความเก่งกาจของอุตสาหกรรม โครงสร้างอะตอมที่เป็นเอกลักษณ์และลักษณะการเชื่อมได้จุดประกายการอภิปรายเกี่ยวกับการจำแนกประเภทเป็นเครือข่ายที่เป็นของแข็ง บทความนี้สำรวจคุณสมบัติเชิงโครงสร้างเปรียบเทียบกับของแข็งเครือข่ายคลาสสิกเช่นเพชรตรวจสอบวิธีการสังเคราะห์และตอบคำถามทั่วไปเกี่ยวกับพฤติกรรมและแอปพลิเคชัน

อะไรกำหนดเครือข่ายของแข็ง?

ของแข็งเครือข่ายหรือที่เรียกว่าของแข็งเครือข่ายโควาเลนต์เป็นวัสดุที่อะตอมเชื่อมต่อกันโดยพันธะโควาเลนต์ในตาข่ายสามมิติต่อเนื่อง โครงสร้างเหล่านี้ขาดโมเลกุลที่ไม่ต่อเนื่องและแสดงจุดหลอมเหลวสูงความแข็งแกร่งและการนำไฟฟ้าที่ไม่ดีเนื่องจากอิเล็กตรอนที่มีการแปล ตัวอย่างคลาสสิก ได้แก่ :

- เพชร: ตาข่ายคาร์บอนจัตุรมุข (รูปที่ 1A)

- ควอตซ์ (sio₂): กรอบของซิลิคอน- ออกซิเจน tetrahedra

- ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SIC): โครงสร้างคล้ายเพชรที่มีอะตอมซิลิกอนและคาร์บอนสลับกัน

คุณสมบัติสำคัญของเครือข่ายของแข็ง

- จุดหลอมเหลวสูง (เช่นเพชร Sublimes ที่ 3,500 ° C)

- ความแข็งพิเศษเนื่องจากพันธะโควาเลนต์ที่เข้มงวด

- ค่าการนำไฟฟ้าต่ำ (ยกเว้นกราไฟท์ซึ่งมีอิเล็กตรอนπ-electrons)

- ธรรมชาติที่เปราะบางด้วยการเสียรูปพลาสติกน้อยที่สุดภายใต้ความเครียด

โครงสร้างอะตอมของทังสเตนคาร์ไบด์

ทังสเตนคาร์ไบด์ตกผลึกในสองรูปแบบหลักโดยมีรูปแบบการเชื่อมที่แตกต่างกัน:

1. โครงสร้างหกเหลี่ยม (α-WC)

เฟสα-phase ที่มีความเสถียรทางอุณหพลศาสตร์ใช้ตาข่ายหกเหลี่ยมแบบง่าย (รูปที่ 1B):

- อะตอมทังสเตนเป็นชั้นที่เต็มไปด้วยความยาว

- อะตอมคาร์บอนครอบครอง 50% ของ interstices ปริซึมตรีโกณมิติสร้างอัตราส่วน WC ที่ 1: 1

- แต่ละทังสเตนอะตอมพันธบัตรโควาเลนต์กับเพื่อนบ้านคาร์บอนหกคน (ความยาวพันธะ: 220 PM)

การจัดเรียงนี้มีลักษณะคล้ายกับเครือข่ายโควาเลนต์ 3 มิติคล้ายกับเพชร แต่มีเลเยอร์โลหะคาร์บอนสลับกัน

2. โครงสร้างลูกบาศก์ (β-WC)

เฟส metastable metastable มีโครงสร้างเกลือหิน (NaCl):

- ทังสเตนและอะตอมคาร์บอนครอบครองตำแหน่งลูกบาศก์ที่มีใบหน้าเป็นศูนย์กลาง

- เฟสนี้ก่อตัวสูงกว่า 2,500 ° C แต่แปลงเป็นα-WC อย่างรวดเร็วเมื่อเย็น

ลักษณะพันธะ: โควาเลนต์กับเมทัลลิก

ในขณะที่พันธะโควาเลนต์ครองในα-WC ลักษณะโลหะที่ละเอียดอ่อนปรากฏขึ้น:

- การแยกอิเล็กตรอนบางส่วน: การทับซ้อน D-orbitals ของทังสเตนช่วยให้การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน จำกัด , ให้ความต้านทานไฟฟ้า (~ 0.2 μΩ· m) ใกล้กับโลหะมากกว่าเซรามิก

- ความเหนียวในคอมโพสิต: WC บริสุทธิ์นั้นเปราะ แต่การเพิ่มสารยึดเกาะโคบอลต์ (CO) ช่วยให้การเสียรูปพลาสติกภายใต้ความเครียด

คุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมี

ทังสเตนคาร์ไบด์จัดแสดงการผสมผสานของคุณสมบัติเซรามิกและโลหะ:

ทรัพย์สิน	ทังสเตนคาร์ไบด์ เพชร	เหล็ก	(AISI 1045)
ความแข็ง (MOHS)	9.0–9.5	10	4–4.5
จุดหลอมเหลว (° C)	2,870	3,500 (Sublimes)	1,425–1,520
ความต้านทานไฟฟ้า (μΩ· m)	0.2	~ 10⊃1; ⊃2;	0.15
การนำความร้อน (w/m · k)	110	900–2,300	50
แรงอัด (เกรดเฉลี่ย)	6.76	110	0.25–0.35

เสถียรภาพทางความร้อนและเคมี

- ความต้านทานออกซิเดชัน: เสถียรในอากาศสูงถึง 500–600 ° C; แบบฟอร์มwo₃และco₂สูงกว่า 600 ° C

- ความต้านทานกรด: กรดไฮโดรคลอริกและกรดซัลฟูริก แต่ละลายในส่วนผสม HF/HNO₃

การสังเคราะห์และการผลิต

ทังสเตนคาร์ไบด์ถูกสังเคราะห์ในสองขั้นตอน:

1. การผลิตผง

- carburization โดยตรง: ผงทังสเตนทำปฏิกิริยากับคาร์บอนแบล็กที่ 1,400–2,000 ° C:

W+CΔWC

-วิธีการแก๊สเฟส: การสะสมไอสารเคมี (CVD) สร้างผง WC แบบพิเศษสำหรับการเคลือบ

2. การเผา

ผงผสมกับโคบอลต์ (3–30 wt.%) และเผาที่ 1,300–1,500 ° C เพื่อสร้างคอมโพสิตหนาแน่น (รูปที่ 2) โคบอลต์ทำหน้าที่เป็นสารยึดเกาะเติมช่องว่างระหว่างธัญพืช WC และเพิ่มความทนทาน

แอปพลิเคชันใช้ประโยชน์จากโครงสร้างเครือข่าย

ตาข่ายโควาเลนต์ของทังสเตนคาร์ไบด์เป็นรากฐานของการปกครองอุตสาหกรรม:

1. เครื่องมือตัดและขุดเจาะ

- คอมโพสิต WC-CO ครองอุตสาหกรรมเครื่องจักรกล

- ความต้านทานการสึกหรอที่เหนือกว่าช่วยให้การตัดอัลลอยด์และคอมโพสิตความเร็วสูง (รูปที่ 3)

2. การเคลือบที่ทนต่อการสึกหรอ

-เชื้อเพลิงออกซิเจนความเร็วสูง (HVOF) การพ่นการเคลือบ WC-CO บนส่วนประกอบการบินและอวกาศ

- การเคลือบคาร์บอนเหมือนเพชร (DLC) พร้อมอนุภาคนาโน WC ช่วยเพิ่มชิ้นส่วนเครื่องยนต์ยานยนต์

3. ส่วนประกอบอุณหภูมิสูง

- Rocket Nozzle Liners: เสถียรภาพทางความร้อนของ WC ทนต่อการขับเคลื่อนไอเสีย (> 2,000 ° C)

- โล่เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์: คอมโพสิต WC-B₄Cบล็อกรังสีนิวตรอน

4. สินค้าอุปโภคบริโภค

- เครื่องประดับ: แหวน WC ที่ถูกเผาจะต้านทานรอยขีดข่วนได้ดีกว่าทองคำขาวหรือทองคำ

- สินค้ากีฬา: ไม้กอล์ฟที่มีปลายด้านข้างและคันเหยียบจักรยานช่วยเพิ่มความทนทาน

การวิเคราะห์เปรียบเทียบ: WC กับของแข็งเครือข่ายอื่น ๆ

ความคล้ายคลึงกัน

- พันธะโควาเลนต์ 3D กำหนดความสมบูรณ์ของโครงสร้าง

- ความแข็งสูงต่อต้านการเสียรูปพลาสติก

ความแตกต่าง

- การนำไฟฟ้า: WC ดำเนินการไฟฟ้า เพชรและควอตซ์ไม่ได้

- ความเหนียวแตกหัก: คอมโพสิต WC-CO (10–20 MPa√m) เหนือเพชร (5–10 MPa√m)

บทสรุป

ทังสเตนคาร์ไบด์มีคุณสมบัติเป็นเครือข่ายที่เป็นของแข็งเนื่องจากตาข่ายโควาเลนต์ที่เชื่อมต่อกัน อย่างไรก็ตามการนำไฟฟ้าระดับโลหะและการปรับตัวในรูปแบบคอมโพสิตท้าทายการจำแนกประเภทเซรามิกแบบดั้งเดิม ลักษณะคู่เหล่านี้ - รากในโครงสร้างอะตอมและนวัตกรรมการผลิต - ทำให้เป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ในอุตสาหกรรมที่ต้องการความทนทานและความแม่นยำสูง

คำถามที่พบบ่อย

1. ทังสเตนคาร์ไบด์เป็นเซรามิกหรือโลหะหรือไม่?

ทังสเตนคาร์ไบด์เป็นเซรามิกที่มีพันธะโควาเลนต์ อย่างไรก็ตามมันมักจะรวมกับสารยึดเกาะโลหะเช่นโคบอลต์เพื่อสร้าง cermets ซึ่งแสดงคุณสมบัติไฮบริด

2. ทำไมทังสเตนคาร์ไบด์จึงดำเนินการไฟฟ้าแม้จะเป็นเครือข่ายที่มั่นคง?

ตาข่ายหกเหลี่ยมของมันช่วยให้อิเล็กตรอน delocalization บางส่วนคล้ายกับกราไฟท์ การทับซ้อนของ D-orbitals ของทังสเตนช่วยให้การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนมีความต้านทานต่อโลหะ

3. ความแข็งของทังสเตนคาร์ไบด์เปรียบเทียบกับเพชรได้อย่างไร

WC (MOHS 9.0–9.5) นั้นนุ่มกว่าเพชรเล็กน้อย (MOHS 10) แต่ยากกว่า Corundum (Sapphire/Ruby)

4. อุตสาหกรรมใดที่พึ่งพาทังสเตนคาร์ไบด์มากที่สุด?

การขุดการบินและอวกาศและการผลิตใช้ WC สำหรับเครื่องมือตัดการเคลือบที่ทนต่อการสึกหรอและส่วนประกอบอุณหภูมิสูง

5. ทังสเตนคาร์ไบด์สังเคราะห์อย่างไร?

WC Powder ผลิตผ่าน carburization โดยตรงของโลหะทังสเตนที่ 1,400–2,000 ° C การเผาด้วยสารยึดเกาะโคบอลต์สร้างคอมโพสิตหนาแน่น

การอ้างอิง:

[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