Карбід цирконію(ZrC) – це над-високо{1}}температурний керамічний матеріал із типовою кубічною кристалічною структурою NaCl-типу-з центром на грані, яка має сіро-чорний металевий блиск. Його найбільш помітною особливістю є надзвичайно висока температура плавлення (приблизно 3540 градусів), висока твердість (приблизно 25 ГПа) і чудова хімічна стабільність, що дозволяє йому зберігати структурну цілісність у екстремальних середовищах. Цей матеріал також має хорошу тепло- та електропровідність і низькі активаційні властивості. Ці видатні властивості роблять його ідеальним матеріалом-кандидатом для систем теплового захисту в аерокосмічній галузі, передових-компонентів надзвукових літаків і покриттів палива для ядерних реакторів. Наразі приготування речовини в основному залежить від таких процесів, як високотемпературне-спікання або хімічне осадження з парової фази. Його застосування та розробка тісно пов’язані з гострою потребою в екстремальних екологічних матеріалах у майбутніх-передових галузях промисловості та оборонних технологіях.
|
Хімічна формула |
C40H68Zr |
|
Точна маса |
638 |
|
Молекулярна маса |
640 |
|
m/z |
638 (100.0%), 639 (43.3%), 642 (33.8%), 640 (33.3%), 639 (21.8%), 643 (14.6%), 641 (14.4%), 640 (9.4%), 640 (9.1%), 644 (5.4%), 644 (3.1%), 642 (3.0%), 645 (2.4%), 641 (2.0%) |
|
Елементний аналіз |
C 75,04; Н 10,71; Zr, 14,25 |
|
|
|
Молекулярна формулакарбід цирконіюце ZrC з молекулярною масою 103,23. Його щільність становить 6,73 г/см³, температура плавлення становить 3532 градуси, точка кипіння — 5100 градусів, а твердість за Моосом — 8-9. З точки зору хімічних властивостей, ZrC нерозчинний у соляній кислоті, але розчинний у азотній кислоті та фтористоводневій кислоті, а також фтористоводневій кислоті та гарячій сірчаній кислоті, що містить перекис водню. Ці характеристики роблять ZrC ідеальним -конструкційним матеріалом для високих температур і корозійностійким матеріалом. Це важливий керамічний матеріал із чудовими властивостями, такими як висока міцність, висока твердість, стійкість до високих температур і стійкість до корозії. Ці характеристики роблять ZrC широкими перспективами застосування в багатьох галузях.
Високотемпературні конструкційні матеріали
Він має чудову корозійну стійкість, зносостійкість, стійкість до високих температур, відмінну стійкість до втоми та хорошу провідність, тому широко використовується у сфері високо{0}}температурних конструкційних матеріалів.
Аерокосмічна:
Футеровка камери згоряння: вона може витримувати -тривале використання в середовищах із високою температурою та високим тиском, тому використовується як матеріал футерування для камер згоряння аерокосмічних двигунів. Його чудова стійкість до високих температур може ефективно захистити структуру камери згоряння, покращити термін служби та безпеку двигуна.
Реактивний рух: він також використовується як ключовий компонент реактивного руху, наприклад труби для змішування палива, паливні баки тощо. Його висока міцність і стійкість до корозії забезпечують стабільну роботу двигуна в екстремальних умовах.
Лопатки турбіни: покриття ZrC може покращити стійкість до високих температур і корозії лопатей турбін в авіаційних двигунах, тим самим подовжуючи термін служби лопатей.
Корабель:
Рушій: ключовий компонент, який використовується як силова установка для кораблів, наприклад, гвинтові двигуни, підводні гвинти тощо. Його відмінна стійкість до корозії та зносостійкість може забезпечити стабільну роботу двигуна в складних середовищах, таких як морська вода.
Внутрішні компоненти двигуна: покриття ZrC може покращити стійкість до високих температур і корозійну стійкість внутрішніх компонентів морських двигунів, тим самим подовжуючи термін служби двигуна.
Електрика:
Теплообмінник: використовується як матеріал теплообмінника в енергетиці. Його відмінна стійкість до високих температур і стійкість до корозії може забезпечити стабільну роботу теплообмінника в умовах високої температури і корозійного середовища, а також підвищити ефективність теплообміну.
Нафтова, хімічна, металургійна, вугільна промисловість:
Високотемпературний реактор: використовується як ключовий компонент-високотемпературних реакторів у таких галузях, як нафтова, хімічна, металургійна та вугільна промисловість.
Його чудова стійкість до високих температур і стійкість до корозії може забезпечити стабільну роботу реактора в умовах високої температури та корозійного середовища, а також підвищити ефективність реакції.
Носій каталізатора: його також можна використовувати як носій каталізатора, а його висока питома поверхня та відмінна хімічна стабільність можуть забезпечити ефективну та стабільну роботу каталізатора.
Зносостійкий матеріал
Він має високу твердість і відмінну зносостійкість, тому використовується як ріжучий інструмент, зносостійкий-матеріал тощо.
Ріжучі інструменти:
Матеріали покриття, які використовуються як ріжучі інструменти, наприклад ріжучі інструменти, свердла тощо. Його висока твердість і чудова зносостійкість можуть значно покращити ефективність різання та термін служби інструменту.
Зносостійкі компоненти:
На деяких механічних компонентах, які вимагають високої зносостійкості, таких як підшипники, ущільнювальні кільця тощо, покриття ZrC може покращити зносостійкість компонентів, тим самим продовживши термін їх служби.
Шліфувальний матеріал:
Його також можна використовувати як шліфувальний матеріал для обробки різних твердих металів, скла, корунду. Його висока твердість і відмінна зносостійкість забезпечують ефективну і стабільну роботу в процесі шліфування.
Стійкий до корозії матеріал
Він має чудову корозійну стійкість і тому використовується як корозійно{0}}стійкий компонент у хімічному обладнанні.
Теплообмінник:
У хімічному виробництві теплообмінники часто контактують з різними агресивними середовищами. Використовується як ключовий компонент теплообмінників, його чудова стійкість до корозії забезпечує стабільну роботу теплообмінника в корозійних середовищах.
каталізатор:
Його також можна використовувати як носій або активний компонент для каталізаторів. Його відмінна хімічна стабільність і стійкість до корозії забезпечують ефективну і стабільну роботу каталізатора в складних умовах реакції.
Електронні матеріали
Він має добру електропровідність і стабільність при високій температурі, тому використовується як матеріал для виготовлення високо-потужних електронних пристроїв і високо-частотних схем.
Електронні пристрої великої потужності:
У деяких-потужних електронних пристроях, таких як силові діоди, тиристори тощо, вони використовуються як електродні матеріали. Його чудова провідність і висока-температурна стабільність можуть забезпечити стабільну роботу пристрою в умовах високої-температури.
Високочастотна схема:
У -високочастотних колах матеріали, що використовуються як лінії передачі, резонатори та інші компоненти. Його чудова провідність і висока-температурна стабільність можуть забезпечити ефективну та стабільну роботу схеми в-високочастотних середовищах.
Біомедичні матеріали
Має добру біосумісність і біологічну стабільність, тому використовується як замінник ортопедичних і стоматологічних матеріалів.
Штучний суглоб:
Матеріали, які використовуються як штучні суглоби, як-от штучні колінні суглоби, штучні тазостегнові суглоби тощо. Його чудова біосумісність і біологічна стабільність можуть забезпечити довго-строкову стабільну роботу штучних суглобів в організмі людини.
Штучні зуби:
Він також використовується як матеріал для штучних зубів, таких як зубні коронки, мости тощо. Його чудова зносостійкість і стійкість до корозії можуть забезпечити тривалу -стабільну роботу штучних зубів у ротовій порожнині.
Ортопедичні імпланти:
У деяких ортопедичних імплантатах, таких як кісткові цвяхи, кісткові пластини тощо, вони використовуються як матеріали для покриття. Його чудова біосумісність і біологічна стабільність можуть забезпечити тривалу -стабільну роботу імплантатів в організмі людини.
Біосенсори:
Його також можна використовувати як матеріал-носій для біосенсорів. Його відмінна хімічна стабільність і біосумісність забезпечують ефективну і стабільну роботу датчика в складних біологічних середовищах.
Система доставки ліків:
У деяких системах доставки ліків він використовується як матеріал-носій. Його чудова біосумісність і біологічна стабільність можуть забезпечити безпечну та ефективну доставку ліків в організм людини.
Карбід цирконію, як важливий керамічний матеріал, має чудові властивості, такі як висока міцність, висока твердість, стійкість до високих температур і стійкість до корозії. Він має широкі перспективи застосування у високо{1}}температурних конструкційних матеріалах, зносостійких-матеріалах, корозійно-стійких матеріалах, електронних матеріалах, біомедичних матеріалах та в інших областях.
Методи отримання ZrC в основному включають метод термічного відновлення, метод хімічного осадження з парової фази та метод золь-гелю.
Метод 1: Метод термічного зменшення
Метод термічного відновлення є одним із найбільш часто використовуваних методів отримання ZrC. Він генерує ZrC шляхом взаємодії оксиду цирконію з джерелом вуглецю при високій температурі. Цей метод є простим, економічно-ефективним і може отримувати ZrC високої{3}}чистоти.
1. Принцип
Принцип методу термічного відновлення заснований на реакції відновлення між оксидом цирконію (наприклад, цирконій, ZrO ₂) і джерелом вуглецю (таким як сажа) при високій температурі, утворюючи ZrC і газоподібний окис вуглецю (CO). Рівняння реакції має такий вигляд:
ZrO2+3C→ZrC+2CO
2. Сходинки
Конкретні кроки методу термічного відновлення такі:
(1) Змішування сировини:
Змішайте оксид цирконію (наприклад, діоксид цирконію) з джерелом вуглецю (наприклад, сажею) у певній пропорції. Співвідношення змішування слід оптимізувати відповідно до необхідної чистоти ZrC та умов реакції.
(2) Завантаження:
Завантажте змішану сировину в графітовий тигель карбонізаційної печі. Графітові тиглі мають відмінну високотемпературну стійкість і хімічну стабільність, що забезпечує протікання реакцій при високих температурах.
(3) Реакція нагрівання:
Нагрійте піч карбонізації до високої температури (наприклад, 2400 градусів) в атмосфері водню. Атмосфера водню може запобігати окисленню оксидів цирконію та джерел вуглецю при високих температурах, одночасно сприяючи прогресу реакцій відновлення. Під час процесу нагрівання оксид цирконію вступає в реакцію відновлення з джерелом вуглецю, утворюючи ZrC і оксид вуглецю.
(4) Охолодження та збір матеріалу:
Після завершення реакції вимкніть джерело нагріву та дайте печі карбонізації природним чином охолонути до кімнатної температури. Під час процесу охолодження утворений оксид вуглецю поступово виділяється, що в кінцевому результаті призводить до продуктів ZrC.
3. Переваги та недоліки
Перевага:
Простий метод: технологічний процес методу термічного відновлення відносно простий, простий в експлуатації та досягає промислового виробництва.
Низька вартість: порівняно з хімічним осадженням з парової фази та золь-гель методом, метод термічного відновлення має нижчу вартість сировини та не потребує складного обладнання.
Висока чистота: оптимізувавши умови реакції та співвідношення сировини, можна отримати ZrC високої{0}}чистоти.
Недоліки:
Високе споживання енергії: метод термічного відновлення вимагає проведення реакцій при високих температурах, що призводить до високого споживання енергії.
Високі вимоги до обладнання: піч для карбонізації повинна бути здатною витримувати високі температури та бути оснащена системою водневої атмосфери, що вимагає високих вимог до обладнання.
4. Приклади застосування
Карбід цирконіюотриманий методом термічного відновлення широко використовується в аерокосмічній, суднобудівній, енергетичній, нафтовій, хімічній, металургійній, вуглепереробній та інших галузях. Наприклад:
Аерокосмічна промисловість: використовується як футерівка камери згоряння, реактивний двигун, турбінні лопаті та інші компоненти аерокосмічних двигунів. ZrC може витримувати тривале-використання в умовах високої температури та високого тиску, покращуючи термін служби та безпеку двигунів.
Корабель: ключові компоненти, які використовуються як двигуни для кораблів, такі як корпуси двигунів, підводні двигуни тощо. Чудова стійкість до корозії та зносостійкість ZrC може забезпечити стабільну роботу двигунів у складних середовищах, таких як морська вода.
Електрика: використовується як теплообмінники, теплообмінники, теплообмінні трубки та інші компоненти в енергетиці. Відмінна стійкість до високих температур і корозії ZrC може забезпечити стабільну роботу цих компонентів у високотемпературних і корозійних середовищах.
Метод 2: Метод хімічного осадження з парової фази
Хімічне осадження з парової фази (CVD) – це метод проведення реакцій у газо{0}}фазних умовах. Він використовує попередники газової-фази для розкладання на ZrC за високих температур і осадження його на поверхні підкладки. Цей метод може контролювати морфологію та структуру матеріалів, а також отримувати плівки ZrC певної морфології та розміру.
1. Принцип
Принцип хімічного осадження з парової фази ґрунтується на реакції розкладання попередників газової-фази (таких як тетрахлорид цирконію та вуглеводневих газів) за високих температур, утворюючи ZrC і відповідні-продуктові гази. Рівняння реакції має такий вигляд (на прикладі тетрахлориду цирконію та метану):
ZrCl4+CH4→ZrC+4HCl
2. Сходинки
Конкретні етапи методу хімічного осадження з парової фази такі:
(1) Підготовка прекурсорів газової-фази:
Змішайте попередники газо{0}}фази (такі як тетрахлорид цирконію та вуглеводневі гази) рівномірно в певній пропорції. Співвідношення змішування слід оптимізувати відповідно до необхідного складу плівки ZrC та умов реакції.
(2) Обробка основи:
Очистіть і обробіть поверхню матеріалу підкладки (наприклад, кремнієві пластини, керамічні пластини тощо), щоб забезпечити рівномірне нанесення плівки ZrC на поверхню підкладки.
(3) Реакція осадження:
Попередник змішаної газової-фази пропускається на вольфрамовий дріт, нагрітий до високої температури (наприклад, 1700-2400 градусів). За високих температур попередники газової-фази зазнають реакцій розкладання, утворюючи ZrC і побічні гази. ZrC осідає на поверхні підкладки, утворюючи тонку плівку.
(4) Збір охолоджуючого матеріалу:
Після завершення реакції вимкніть джерело нагріву та дайте системі охолонути природним шляхом до кімнатної температури. Під час процесу охолодження -побічні гази поступово вивільняються, в результаті чого утворюється плівка ZrC.
3. Переваги та недоліки
Перевага:
Контрольована морфологія: Хімічне осадження з парової фази може контролювати морфологію та структуру матеріалів і отримувати плівки ZrC певної морфології та розміру.
Потужне покриття: технологія CVD може покривати поверхню нанесеного матеріалу, створюючи товсті покриття та складні спрямовані структури, придатні для виготовлення покриттів у екстремальних просторах.
Відмінні характеристики: CVD-покриття, нанесені на поверхню нанесеного матеріалу, мають хороші механічні та електричні властивості, такі як зносостійкість і стійкість до корозії.
Низька вартість: порівняно з золь-гелевим методом вартість обладнання для методу хімічного осадження з парової фази нижча, і можна здійснити велико{0}}виробництво.
Недоліки:
Дороге обладнання. Для хімічного осадження з парової фази потрібне таке обладнання, як високо{0}}реакційні печі та-системи транспортування прекурсорів газової фази, які є дорогими.
Високі технічні вимоги: хімічне осадження з парової фази вимагає точного контролю умов реакції (таких як температура, тиск, швидкість потоку газу тощо) і має високі технічні вимоги.
Забруднення. Вихлопні гази, утворені методом хімічного осадження з парової фази, містять -побічні гази (наприклад, HCl), які мають певний ступінь забруднення.
Обмеження: хімічне осадження з парової фази можна використовувати лише для матеріалів, які можна випаровувати, а для певних матеріалів, таких як метали та органічні сполуки, які не можуть випаровуватися за кімнатної температури, CVD не можна використовувати для осадження.
4. Приклади застосування
Тонкі плівки діоксиду цирконію, отримані шляхом хімічного осадження з парової фази, широко використовуються в таких галузях, як електроніка, оптоелектроніка та каталіз. Наприклад:
Електроніка: матеріали, які використовуються для виготовлення-потужних електронних пристроїв і високочастотних схем. Тонкі плівки ZrC мають хорошу провідність і стійкість до високих-температур, що може покращити продуктивність і надійність електронних пристроїв.
Оптоелектроніка: матеріали, що використовуються для виготовлення оптичних тонких плівок, наноструктур і оптичних пристроїв. Тонкі плівки ZrC мають відмінні оптичні властивості, які можуть підвищити ефективність і продуктивність оптичних пристроїв.
Каталіз: використовується як каталізатор або носій каталізатора для органічного синтезу, перетворення енергії та захисту навколишнього середовища. Тонкі плівки ZrC мають велику питому поверхню та високу активність, що може покращити каталітичну ефективність каталізаторів.
Метод 3: золь-гель метод
Золь-гель метод — це метод одержання матеріалів за допомогою матеріалів-попередників у золь- та гелеподібних станах. При підготовцікарбід цирконію, розчин, що містить іони цирконію, зазвичай змішується з відповідним джерелом вуглецю для утворення гелю, а потім гель перетворюється на ZrC за допомогою термічної обробки. За допомогою цього методу можна отримати нано{1}}частинки ZrC з великою питомою поверхнею та високою активністю.
1. Принцип
Принцип золь-гель методу заснований на реакції гідролізу та поліконденсації між розчином, що містить іон цирконію (наприклад, алкоксид цирконію) та джерелом вуглецю (таким як глюкоза) у рідкій фазі з утворенням гелю. Після сушіння та термічної обробки гель проходить реакцію карботермічного відновлення з утворенням ZrC. Рівняння реакції має такий вигляд:
Zr(OR)4+C6H12O6→ZrC+CO2+H2O
2. Сходинки
Конкретні етапи золь-гель методу такі:
(1) Приготування розчину:
Змішайте розчин, що містить іони цирконію (наприклад, алкоксид цирконію), з джерелом вуглецю (наприклад, глюкозою) у певній пропорції та рівномірно перемішайте. Співвідношення змішування слід оптимізувати відповідно до необхідного складу ZrC та умов реакції.
(2) Утворення гелю:
Змішаному розчину дають постояти при кімнатній температурі протягом певного періоду часу, щоб пройти реакцію гідролізу та поліконденсації з утворенням гелю. Під час утворення гелю розчин поступово втрачає текучість і утворює тверду речовину з певною міцністю.
(3) Висушування:
Гель сушать у сушильній шафі для видалення з гелю вологи та органічних розчинників. У процесі сушіння об’єм гелю поступово зменшується, утворюючи пористий сухий гель.
(4) Теплова обробка:
Термообробіть сухий гель в інертній атмосфері (наприклад, аргон) і нагрійте його до високої температури (наприклад, 1500 градусів). Під час термічної обробки сухий гель проходить карботермічну реакцію відновлення з утворенням ZrC.
При цьому пориста структура сухого гелю поступово зникала, утворюючи щільні частинки ZrC.
3. Переваги та недоліки
Перевага:
Нанорівень: золь-гель-метод може отримувати частинки ZrC нанорівня з великою питомою поверхнею та високою активністю.
Простий процес: технологічний процес золь-гель методу є відносно простим, простим в експлуатації та реалізації промислового виробництва.
Низька вартість обладнання: у порівнянні з хімічним осадженням з парової фази вартість обладнання золь-гель-методу нижча.
Енергозбереження: температура реакції золь-гель методу відносно низька, що може заощадити енергію.
Недоліки:
Висока вартість сировини: золь-гель метод вимагає використання високо{0}}алкоксиду цирконію, глюкози та іншої сировини, а вартість сировини висока.
Залишкові дрібні отвори: у частинках ZrC, отриманих золь-гелевим методом, можуть бути залишкові дрібні отвори, що впливає на компактність і ефективність матеріалів.
Контроль температури під час термообробки: під час процесу термообробки потрібен точний контроль температури, щоб уникнути залишкового вуглецю та вплинути на чистоту ZrC.
Тривалий час реакції: час реакції золь-гель методу тривалий, що впливає на ефективність виробництва.
Шкода органічних розчинників: органічні розчинники, які використовуються в золь-гель методі, шкідливі для організму людини.
4. Приклади застосування
Наночастинки ZrC, отримані золь-гель-методом, широко використовуються в біомедичній, каталітичній, електронний та інших областях. Наприклад:
Біомедичні: використовуються як штучні суглоби та стоматологічні матеріали. Наночастинки ZrC мають відмінну біосумісність і біостабільність і можуть бути сумісні з тканинами людини, не викликаючи реакцій відторгнення.
Каталіз: використовується як носій каталізатора. Наночастинки ZrC мають велику питому поверхню та високу активність, що може покращити каталітичну ефективність каталізаторів.
Електроніка: матеріали, які використовуються для виробництва високо-електронних пристроїв. Його наночастинки мають чудову провідність і високу -температурну стабільність, що може покращити продуктивність і надійність електронних пристроїв.
Карбід цирконіюне був відкритий як природний мінерал, а вперше синтезований у лабораторних дослідженнях, що охоплювали кінець 19-го до середини 20-го століття, що бере свій початок у ранніх дослідженнях цирконію та тугоплавкого карбіду. Елемент цирконій був виділений з цирконової руди в 1789 році, але стабільні бінарні сполуки Zr–C залишалися неохарактеризованими більше століття.
Наприкінці-хіміки 1800-х років спробували провести пряму твердотільну реакцію між сирим металевим цирконієм і графітом за сильної температури, але забруднення киснем і азотом із відкритих печей призвело до утворення нечистих сумішей оксикарбіду без підтвердженої ідентифікації фази ZrC.
Систематичні дослідження розпочалися в 1920-х роках після появи вакуумних високотемпературних-печей. Вчені оптимізували карботермічне відновлення діоксиду цирконію вуглецем в інертній атмосфері, утворивши кристалічний ZrC, який можна ідентифікувати, і підтвердили кристалічну структуру кам’яної-солі за допомогою примітивної рентгенівської-дифракції.
У 1930–1940-х роках дослідження ядерної енергетики сприяли глибшій характеристикі: низький переріз захоплення нейтронів ZrC-і надвисока температура плавлення привернули увагу до компонентів реактора, що спонукало до стандартизованих протоколів синтезу та точного тестування властивостей.
Космічна гонка 1960-х років значно прискорила розвиток. Дослідники нанесли на карту повну фазову діаграму Zr–C, уточнили нестехіометричні діапазони твердого-розчину ZrCₓ та запровадили-парове осадження покриттів ZrC для термозахисту гіперзвукового автомобіля.
Починаючи з 1970-х років, технології CVD і плазмового розпилення розширили промислове виробництво, тоді як сучасні дифракційні інструменти виявили впорядковані вуглецеві-суперструктури, завершивши століття-дослідження цієї над-високо{4}}температурної кераміки.
FAQ
Для чого використовується карбід цирконію?
+
-
Карбід цирконію (ZrC) є потенційним матеріалом для покриття, -поглинання кисню або інертної матриці длясучасне паливо для високотемпературних реакторів. ZrC продемонстрував привабливі властивості для цих видів палива, включаючи чудову стійкість до корозії продуктів поділу та здатність утримувати продукти поділу.
При якій температурі плавиться карбід цирконію?
+
-
Карбід цирконію (ZrC) має температуру плавлення приблизно від 3532 до 3540 градусів (від 6390 до 6404 градусів F або від 3805 до 3813 K).
Популярні Мітки: карбід цирконію cas 12070-14-3, постачальники, виробники, фабрика, опт, купити, ціна, оптом, продаж