Меню вмісту
● Вступ до карбіду вольфраму
>> Історичний фон
>> Методи синтезу
● Хімічна структура та зв’язок
>> Кристалічна структура
>> Іонний проти ковалентного зв’язку: порівняльний аналіз
● Властивості карбіду вольфраму
>> Механічні властивості
>> Теплові та електричні властивості
>> Хімічна стійкість
● Розширені застосування карбіду вольфраму
>> Промислові та споживчі використання
>> Нові технології
● Міркування щодо здоров'я, безпеки та навколишнього середовища
>> Професійні небезпеки
>> Вплив на навколишнє середовище
● Висновок
● Часті запитання
>> 1. Чому карбід вольфраму не вважається іонним?
>> 2. Чи може вольфрамовий карбід іржу чи роздути?
>> 3. Як кобальт покращує властивості карбіду вольфраму?
>> 4. Чи використовується карбід вольфраму в споживчій електроніці?
>> 5. Яке майбутнє карбіду вольфраму в зеленій енергії?
● Цитати:
Карбід вольфраму (WC) - це з'єднання вольфраму та вуглецю, відомий своєю надзвичайною твердістю, високою точкою плавлення та різноманітними промислових програмами. Незважаючи на те, що його фізичні властивості добре задокументовані, характер його хімічного зв’язку --онного або ковалентного-переживає тему наукового розслідування. У цій статті досліджується структура, зв’язок, властивості, програми та наслідки Карбід вольфраму , звертаючись до свого іонного або ковалентного характеру.
Вступ до карбіду вольфраму
Історичний фон
Карбід вольфраму вперше був синтезований в кінці 19 століття французьким хіміком Анрі Мойсаном, який також виявив синтетичні алмази. Однак його промисловий потенціал не реалізувався до 1920 -х років, коли німецькі інженери розробили цементовані карбідні інструменти, поєднуючи WC з кобальтовими в'яжуми. Ця інновація революціонізувала процеси обробки, що дозволяє швидше та більш довговічні ріжучі інструменти.
Методи синтезу
Карбід вольфраму виробляється шляхом реагування вольфрамового порошку з вуглецем при температурі від 1500 ° С і 2000 ° С у водневому або вакуумному середовищі. Реакція випливає:
W+C → WC
Сучасні методи включають:
- Карботермальне зниження: використання оксиду вольфраму (Wo₃) та вуглецю у високотемпературній печі.
- Хімічне осадження пари (CVD): для створення тонких покриттів WC на субстратах.
- Механічне сплави: вольфраму та вуглецеві порошки для досягнення нанорозмірних структур.
Хімічна структура та зв’язок
Кристалічна структура
Карбід вольфраму кристалізується у двох первинних формах:
1. Шестикутна (α-WC): стабільна при кімнатній температурі, з атомами вольфраму в шестикутній решітці (HCP) та вуглецю, що займають половину октаедричних інтерстиціальних ділянок.
2. Кубічний (β-WC): утворюється при температурі вище 2600 ° C, приймаючи скельну структуру (тип B1).
Довжина зв’язку між вольфрамом і вуглецем становить ~ 220 вечора, коротша, ніж типові іонні зв’язки (наприклад, NaCl: ~ 280 pm), що говорить про сильні ковалентні взаємодії.
Іонний проти ковалентного зв’язку: Порівняльний аналіз
| властивості |
іонного зв’язку (наприклад, NaCl) |
ковалентний зв’язок (WC) |
| Електронегативність |
Висока різниця (Δχ = 2,23) |
Низька різниця (Δχ = 0,8) |
| Точка плавлення |
~ 800 ° C |
~ 2870 ° C |
| Електропровідність |
Бідний (ізолятор) |
Високий (металевий провідник) |
| Спрямованість зв'язку |
Несправний |
Спрямований (локалізований) |
Невелика різниця електронегативності між вольфрамом (χ = 2,36) та вуглецем (χ = 2,55) та металевою провідністю WC підтверджують ковалентне зв'язування з металевими характеристиками.
Властивості карбіду вольфраму
Механічні властивості
Твердість:
- Шкала MOHS: 9,0–9,5 (Діамант = 10).
- Твердість Вікерса: 2200–2 400 HV, перевершуючи титан і сталь.
- Жистка перелому: ~ 6–8 МПа, нижча за сталь, але пом'якшена кобальтовими в'яжуючими в композитах.
- Щільність: 15,6 г/см⊃3;, порівнянні з ураном та золотом.
Теплові та електричні властивості
- Точка плавлення: 2870 ° C, що робить його придатним для високотемпературних середовищ.
- Теплопровідність: 110 Вт/м · К, подібно до алюмінію.
- Електричний опір: ~ 20 мкО · см, що дозволяє використовувати в електричних контактах.
Хімічна стійкість
- стійкі до кислот (крім HNO₃/HF сумішей) та окислення до 600 ° С.
- вразливий до розплавлених солей та лужних розчинів.
Розширені застосування карбіду вольфраму
Промислові та споживчі використання
1. Інструменти обробки:
- Композити WC-CO домінують на ринку ріжучих інструментів (наприклад, кінцеві млини, вставки).
- Приклад: Сандвік Коромант 'GC4325 ' Вставки для аерокосмічних сплавів.
2. Аерокосмічний простір:
- Покриття леза турбін та теплові щити в ракетних форсунках.
3. Медичний:
- Хірургічні інструменти (наприклад, остеотоми) та протезування через біосумісність.
Нові технології
1. Виробництво добавок:
- WC-порошки використовуються в 3D-друкованих інструментах зі складними геометріями.
2. Ядерний синтез:
- Досліджено як матеріал, що спрацьовує в плазмі, в реакторах Токамака.
3. Нанотехнологія:
- Наночастинки WC посилюють каталітичні реакції, такі як еволюція водню.
Міркування щодо здоров'я, безпеки та навколишнього середовища
Професійні небезпеки
- Легеневі ефекти: Вдихання пилу WC може спричинити 'захворювання легенів жорсткого металу, ' форма пневмоконіозу.
- Канцерогенність: класифікована як канцероген групи 2B (можливо, канцерогенна) за IARC.
- Правила: OSHA мандатують обмеження впливу на робочому місці (<5 мг/м⊃3; для дихального пилу).
Вплив на навколишнє середовище
- видобуток: Вилучення вольфрам часто передбачає видобуток відкритих якостей, що призводить до знищення середовища проживання.
- Переробка: до 95% брухту WC переробляється за допомогою процесів репламації цинку.
- Ініціативи щодо сталого розвитку: такі компанії, як Kennametal, сприяють системам переробки закритого циклу.
Висновок
Ковалентне з'єднання вольфраму карбіду лежить в основі його виняткової твердості, термічної стійкості та електропровідності. Його застосування охоплюють традиційні галузі (видобуток, аерокосмічний) та передові поля (ядерний синтез, нанотехнологія). Незважаючи на те, що такі проблеми, як ризики для здоров'я та вплив на навколишнє середовище, зберігаються, просування в переробці та виробництві добавок обіцяють стійке майбутнє для використання WC.
Часті запитання
1. Чому карбід вольфраму не вважається іонним?
Карбід вольфраму не вистачає великої різниці електронегативності, необхідної для іонного скріплення. Його провідність та спрямовані зв'язки узгоджуються з ковалентними/металевими характеристиками.
2. Чи може вольфрамовий карбід іржу чи роздути?
WC є дуже корозійною, але погіршується в окислювальних кислотах (наприклад, азотна кислота) або лужних розчинів.
3. Як кобальт покращує властивості карбіду вольфраму?
Кобальт діє як сполучний, посилюючи міцність, заповнюючи прогалини між зернами WC.
4. Чи використовується карбід вольфраму в споживчій електроніці?
Так! Він знайдений у смартфонних вібраційних двигунах і дивиться кожухи для опору для подряпин.
5. Яке майбутнє карбіду вольфраму в зеленій енергії?
WC вивчається для каталізаторів водневих паливних елементів та підшипників вітрогенераторів, що підтримують системи відновлюваної енергії.
Цитати:
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/tungsten_carbide
[2.
[3] https://softschools.com/formulas/chemistry/tungsten_iv_carbide_formula/462/
[4] https://www.alamy.com/stock-photo/tungsten-carbide.html
[5] https://www.refractorymetal.org/tungsten-carbide-uses-properties.html
[6] https://www.chemicalbook.com/article/crystal-structure-and-uses-of-tugsten-carbide.htm
[7] https://www.gettyimages.hk/%E5%9C%96%E7%89%87/tungsten-carbide?page=2
[8] https://en.wikipedia.org/wiki/file:-alpha_tungsten_carbide_crystal_structure.jpg
[9] https://create.vista.com/photos/tungsten-carbide/
[10] https://www.reddit.com/r/askscience/comments/f26est/how_does_tungsten_bond_with_carbon_to_produce/
[11] https://en.wikipedia.org/wiki/carbide
[12] https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/tungsten-carbide
[13] https://www.freepik.com/free-photos-vectors/tungsten
[14] https://www.shutterstock.com/search/tungsten-metal
[15] https://www.gettyimages.hk/%E5%9C%96%E7%89%87/tungsten-carbide
[16] https://www.istockphoto.com/photos/tungsten-carbide
[17] https://www.atomic-scale-physics.de/lattice/struk/bh.html
[18] https://en.wikipedia.org/wiki/tungsten
[19] https://www.vedantu.com/chemistry/carbide
