Карбид циркония(ZrC) — это сверх-высоко-керамический материал с типичной кубической кристаллической структурой-типа NaCl-гранецентрированной-кубической структуры, имеющей серый-черный металлический блеск. Его наиболее примечательной особенностью является чрезвычайно высокая температура плавления (около 3540 градусов), высокая твердость (около 25 ГПа) и превосходная химическая стабильность, позволяющая сохранять структурную целостность в экстремальных условиях. Этот материал также обладает хорошей тепло- и электропроводностью и низкими активационными свойствами. Эти выдающиеся свойства делают его идеальным материалом для систем тепловой защиты в аэрокосмической отрасли, передовых-компонентов сверхзвуковых самолетов и покрытий топлива ядерных реакторов. В настоящее время получение вещества в основном основано на таких процессах, как высокотемпературное спекание или химическое осаждение из паровой фазы. Его применение и развитие тесно связаны с острой потребностью в материалах, устойчивых к воздействию окружающей среды, в передовых отраслях промышленности и оборонных технологиях будущего.
|
Химическая формула |
C40H68Zr |
|
Точная масса |
638 |
|
Молекулярный вес |
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%) |
|
Элементный анализ |
С, 75,04; Н, 10,71; Зр, 14.25 |
|
|
|
Молекулярная формулакарбид цирконияпредставляет собой ZrC с молекулярной массой 103,23. Его плотность составляет 6,73 г/см³, температура плавления — 3532 градуса, температура кипения — 5100 градусов, твердость по шкале Мооса — 8-9. По химическим свойствам ZrC нерастворим в соляной кислоте, но растворим в азотной и плавиковой кислотах, а также плавиковой кислоте и горячей серной кислоте, содержащей перекись водорода. Эти характеристики делают ZrC идеальным конструкционным материалом, работающим при высоких-температурах и устойчивым к коррозии. Это важный керамический материал с превосходными свойствами, такими как высокая прочность, высокая твердость, устойчивость к высоким температурам и коррозионная стойкость. Эти характеристики обуславливают широкие перспективы применения ZrC во многих областях.
Высокотемпературные конструкционные материалы
Он обладает превосходной коррозионной стойкостью, износостойкостью, устойчивостью к высоким температурам, отличной усталостной прочностью и хорошей проводимостью, поэтому широко используется в области высоко-конструкционных материалов.
Аэрокосмическая промышленность:
Облицовка камеры сгорания: она выдерживает длительное-использование в условиях высоких температур и высокого давления и поэтому используется в качестве облицовочного материала для камер сгорания авиационных двигателей. Его превосходная устойчивость к высоким температурам может эффективно защитить структуру камеры сгорания, увеличить срок службы и безопасность двигателя.
Реактивное движение: он также используется в качестве ключевого компонента реактивного движения, например, в трубках для смешивания топлива, баках с топливом и т. д. Его высокая прочность и коррозионная стойкость обеспечивают стабильную работу двигателя в экстремальных условиях.
Лопатки турбин: покрытие ZrC может улучшить устойчивость к высоким температурам и коррозии лопаток турбин в авиационных двигателях, тем самым продлевая срок службы лопаток.
Корабль:
Подруливающее устройство: ключевой компонент, используемый в качестве двигательной установки для кораблей, например, двигательные установки, подводные гребные винты и т. д. Его превосходная коррозионная стойкость и износостойкость могут обеспечить стабильную работу подруливающего устройства в сложных средах, таких как морская вода.
Внутренние компоненты двигателя: покрытие ZrC может улучшить устойчивость к высоким температурам и коррозии внутренних компонентов судовых двигателей, тем самым продлевая срок службы двигателя.
Электричество:
Теплообменник: используется в качестве материала теплообменника в энергетике. Его превосходная стойкость к высоким температурам и коррозионная стойкость могут обеспечить стабильную работу теплообменника в условиях высоких температур и агрессивных сред, а также повысить эффективность теплообмена.
Нефтяная, химическая, металлургическая, углепереработка:
Высокотемпературный реактор: используется в качестве ключевого компонента-высокотемпературных реакторов в таких областях, как нефтяная, химическая, металлургическая и угольная промышленность.
Его превосходная стойкость к высоким температурам и коррозионная стойкость могут обеспечить стабильную работу реактора в высокотемпературных и агрессивных средах, а также повысить эффективность реакции.
Носитель катализатора: его также можно использовать в качестве носителя катализатора, а его высокая удельная поверхность и отличная химическая стабильность могут обеспечить эффективную и стабильную работу катализатора.
Износостойкий материал
Он обладает высокой твердостью и превосходной износостойкостью, поэтому используется в качестве режущего инструмента, износостойкого-материала и т. д.
Режущие инструменты:
Материалы покрытия, используемые в качестве режущих инструментов, такие как режущие инструменты, сверла и т. д. Его высокая твердость и отличная износостойкость могут значительно улучшить режущие характеристики и срок службы инструмента.
Износостойкие компоненты:
На некоторых механических компонентах, требующих высокой износостойкости, таких как подшипники, уплотнительные кольца и т. д., покрытие ZrC может улучшить износостойкость компонентов, тем самым продлевая срок их службы.
Шлифовальный материал:
Его также можно использовать в качестве шлифовального материала для обработки различных твердых металлов, стекла или корунда. Его высокая твердость и отличная износостойкость обеспечивают эффективную и стабильную работу в процессе шлифования.
Устойчивый к коррозии материал
Он обладает превосходной коррозионной стойкостью и поэтому используется в качестве коррозионностойкого-компонента в химическом оборудовании.
Теплообменник:
На химическом производстве теплообменники часто контактируют с различными агрессивными средами. Его превосходная коррозионная стойкость, используемая в качестве ключевого компонента теплообменников, обеспечивает стабильную работу теплообменника в агрессивных средах.
катализатор:
Его также можно использовать в качестве носителя или активного компонента катализаторов. Его превосходная химическая стабильность и коррозионная стойкость обеспечивают эффективную и стабильную работу катализатора в сложных условиях реакции.
Электронные материалы
Он обладает хорошей проводимостью и высокой температурной стабильностью, поэтому используется в качестве материала для изготовления мощных-электронных устройств и высокочастотных-схем.
Электронные устройства высокой мощности:
В некоторых-электронных устройствах большой мощности, таких как силовые диоды, тиристоры и т. д., они используются в качестве электродных материалов. Его превосходная проводимость и высокая-температурная стабильность обеспечивают стабильную работу устройства в условиях высоких-температур.
Высокочастотная схема:
В высокочастотных-цепях материалы, используемые в качестве линий передачи, резонаторов и других компонентов. Его превосходная проводимость и высокая-температурная стабильность обеспечивают эффективную и стабильную работу схемы в высокочастотных-средах.
Биомедицинские материалы
Он обладает хорошей биосовместимостью и биологической стабильностью, поэтому используется в качестве заменителя ортопедических и стоматологических материалов.
Искусственный сустав:
Материалы, используемые в качестве искусственных суставов, такие как искусственные коленные суставы, искусственные тазобедренные суставы и т. д. Его превосходная биосовместимость и биологическая стабильность могут обеспечить долгосрочную-стабильную работу искусственных суставов в организме человека.
Искусственные зубы:
Он также используется в качестве материала для искусственных зубов, таких как зубные коронки, мосты и т. д. Его превосходная износостойкость и коррозионная стойкость могут обеспечить длительную-стабильную работу искусственных зубов в полости рта.
Ортопедические имплантаты:
В некоторых ортопедических имплантатах, таких как костные гвозди, костные пластины и т. д., они используются в качестве материалов покрытия. Его превосходная биосовместимость и биологическая стабильность могут обеспечить долгосрочную-стабильную работу имплантатов в организме человека.
Биосенсоры:
Его также можно использовать в качестве материала-носителя для биосенсоров. Его превосходная химическая стабильность и биосовместимость обеспечивают эффективную и стабильную работу датчика в сложных биологических средах.
Система доставки лекарств:
В некоторых системах доставки лекарств он используется в качестве материала-носителя. Его превосходная биосовместимость и биологическая стабильность могут обеспечить безопасную и эффективную доставку лекарств в организм человека.
Карбид циркония, как важный керамический материал, обладает превосходными свойствами, такими как высокая прочность, высокая твердость, устойчивость к высоким температурам и коррозионная стойкость. Он имеет широкие перспективы применения в высоко-конструкционных материалах, износостойких-материалах, коррозионно--стойких материалах, электронных материалах, биомедицинских материалах и других областях.
Методы получения ZrC в основном включают метод термического восстановления, метод химического осаждения из паровой фазы и метод золь-гель.
Метод 1: Метод термического восстановления
Метод термического восстановления является одним из наиболее часто используемых методов получения ZrC. Он генерирует ZrC путем реакции оксида циркония с источником углерода при высокой температуре. Этот метод прост, экономически-эффективен и позволяет производить ZrC высокой-чистоты.
1. Принцип
Принцип метода термического восстановления основан на реакции восстановления между оксидом циркония (например, диоксидом циркония, ZrO ₂) и источником углерода (например, углеродной сажей) при высокой температуре, в результате чего образуется ZrC и газообразный оксид углерода (CO). Уравнение реакции выглядит следующим образом:
ZrO2+3C→ZrC+2CO
2. Шаги
Конкретные этапы метода термического восстановления следующие:
(1) Смешивание сырья:
Смешайте оксид циркония (например, диоксид циркония) с источником углерода (например, сажей) в определенной пропорции. Соотношение смешивания должно быть оптимизировано в соответствии с требуемой чистотой ZrC и условиями реакции.
(2) Загрузка:
Загрузите смешанное сырье в графитовый тигель печи карбонизации. Графитовые тигли обладают превосходной устойчивостью к высоким температурам и химической стабильностью, что гарантирует протекание реакций при высоких температурах.
(3) Реакция нагрева:
Нагрейте печь для карбонизации до высокой температуры (например, 2400 градусов) в атмосфере водорода. Атмосфера водорода может предотвращать окисление оксидов циркония и источников углерода при высоких температурах, способствуя протеканию реакций восстановления. В процессе нагрева оксид циркония подвергается реакции восстановления с источником углерода, в результате чего образуется ZrC и газообразный угарный газ.
(4) Охлаждение и сбор материала:
После завершения реакции выключите источник тепла и дайте печи карбонизации естественным образом остыть до комнатной температуры. В процессе охлаждения образующийся угарный газ постепенно выводится, что в конечном итоге приводит к образованию продуктов ZrC.
3. Преимущества и недостатки
Преимущество:
Простой метод: технологическая схема метода термического восстановления относительно проста, проста в эксплуатации и обеспечивает промышленное производство.
Низкая стоимость: по сравнению с химическим осаждением из паровой фазы и золь-гель-методом, метод термического восстановления имеет более низкую стоимость сырья и не требует сложного оборудования.
Высокая чистота. Путем оптимизации условий реакции и соотношения сырья можно получить ZrC высокой-чистоты.
Недостатки:
Высокое потребление энергии: метод термического восстановления требует проведения реакций при высоких температурах, что приводит к высокому потреблению энергии.
Высокие требования к оборудованию: печь карбонизации должна выдерживать высокие температуры и быть оснащена системой водородной атмосферы, что требует высоких требований к оборудованию.
4. Примеры применения
Карбид цирконияПолученный методом термического восстановления широко используется в аэрокосмической, судостроительной, энергетической, нефтяной, химической, металлургической, углеперерабатывающей и других областях. Например:
Аэрокосмическая промышленность: используется в качестве облицовки камеры сгорания, реактивных двигателей, лопаток турбин и других компонентов аэрокосмических двигателей. ZrC выдерживает длительное-использование в условиях высоких температур и высокого давления, продлевая срок службы и повышая безопасность двигателей.
Корабль: ключевые компоненты, используемые в качестве судовых подруливающих устройств, такие как корпуса подруливающих устройств, подводные подруливающие устройства и т. д. Превосходная коррозионная стойкость и износостойкость ZrC могут обеспечить стабильную работу подруливающих устройств в сложных средах, таких как морская вода.
Электричество: используется в качестве теплообменников, теплообменников, теплообменных трубок и других компонентов в энергетике. Превосходная устойчивость к высоким температурам и коррозионная стойкость ZrC могут обеспечить стабильную работу этих компонентов в условиях высоких температур и агрессивных сред.
Метод 2: Метод химического осаждения из паровой фазы
Химическое осаждение из паровой фазы (CVD) – это метод проведения реакций в газовой-фазе. В нем используются предшественники газовой-фазы для разложения на ZrC при высоких температурах и осаждения его на поверхность подложки. Этот метод позволяет контролировать морфологию и структуру материалов и получать пленки ZrC определенной морфологии и размера.
1. Принцип
Принцип химического осаждения из паровой фазы основан на реакции разложения предшественников газовой-фазы (таких как тетрахлорид циркония и углеводородные газы) при высоких температурах с образованием ZrC и соответствующих побочных-газов. Уравнение реакции выглядит следующим образом (на примере тетрахлорида циркония и метана):
ZrCl4+CH4→ZrC+4HCl
2. Шаги
Конкретные этапы метода химического осаждения из паровой фазы следующие:
(1) Получение предшественников газовой-фазы:
Смешайте предшественники газовой-фазы (например, тетрахлорид циркония и углеводородные газы) в определенной пропорции. Соотношение смешивания должно быть оптимизировано в соответствии с требуемым составом пленки ZrC и условиями реакции.
(2) Обработка субстрата:
Очистите и обработайте поверхность материала подложки (например, кремниевых пластин, керамических пластин и т. д.), чтобы обеспечить равномерное осаждение пленки ZrC на поверхность подложки.
(3) Реакция осаждения:
Предшественник смешанной газовой-фазы подается на вольфрамовую проволоку, нагретую до высокой температуры (например, 1700-2400 градусов). При высоких температурах предшественники газовой-фазы подвергаются реакциям разложения с образованием ZrC и побочных газов. ZrC осаждается на поверхности подложки, образуя тонкую пленку.
(4) Сбор охлаждающего материала:
После завершения реакции выключите источник тепла и дайте системе остыть естественным путем до комнатной температуры. В процессе охлаждения побочные-газы постепенно выделяются, что в конечном итоге приводит к образованию пленки ZrC.
3. Преимущества и недостатки
Преимущество:
Контролируемая морфология: химическое осаждение из паровой фазы позволяет контролировать морфологию и структуру материалов и получать пленки ZrC с определенной морфологией и размером.
Сильное покрытие: технология CVD позволяет покрывать поверхность наносимого материала, создавая толстые покрытия и сложные направленные структуры, подходящие для изготовления покрытий в экстремальных условиях.
Отличные характеристики: покрытия CVD, нанесенные на поверхность наплавленного материала, обладают хорошими механическими и электрическими свойствами, такими как износостойкость и коррозионная стойкость.
Низкая стоимость: по сравнению с методом золь-гель стоимость оборудования для метода химического осаждения из паровой фазы ниже, и можно реализовать крупномасштабное-производство.
Недостатки:
Дорогое оборудование. Для химического осаждения из паровой фазы требуется такое оборудование, как высокотемпературные реакционные печи и системы транспортировки прекурсоров в газовой-фазе, которые стоят дорого.
Высокие технические требования: Химическое осаждение из паровой фазы требует точного контроля условий реакции (таких как температура, давление, скорость потока газа и т. д.) и предъявляет высокие технические требования.
Загрязнение. Выхлопные газы, образующиеся методом химического осаждения из паровой фазы, содержат побочные-газы (такие как HCl), которые имеют определенную степень загрязнения.
Ограничения: Химическое осаждение из паровой фазы можно использовать только для материалов, которые можно испарять, а для некоторых материалов, таких как металлы и органические соединения, которые не могут испаряться при комнатной температуре, CVD-осаждение нельзя использовать для осаждения.
4. Примеры применения
Тонкие пленки циркония, полученные методом химического осаждения из паровой фазы, широко используются в таких областях, как электроника, оптоэлектроника и катализ. Например:
Электроника: материалы, используемые для производства мощных-электронных устройств и высокочастотных-схем. Тонкие пленки ZrC обладают хорошей проводимостью и высокой-температурной стабильностью, что может повысить производительность и надежность электронных устройств.
Оптоэлектроника: материалы, используемые для изготовления тонких оптических пленок, наноструктур и оптических устройств. Тонкие пленки ZrC обладают превосходными оптическими свойствами, которые могут повысить эффективность и производительность оптических устройств.
Катализ: используется в качестве катализатора или носителя катализатора для органического синтеза, преобразования энергии и защиты окружающей среды. Тонкие пленки ZrC имеют большую удельную поверхность и высокую активность, что может повысить каталитическую эффективность катализаторов.
Метод 3: Золь-гель метод.
Золь-гель-метод представляет собой метод получения материалов с использованием материалов-прекурсоров в состояниях золя и геля. При подготовкекарбид цирконияРаствор, содержащий ионы циркония, обычно смешивают с соответствующим источником углерода для образования геля, а затем гель превращают в ZrC посредством термической обработки. Этот метод позволяет получить нано-частицы ZrC с большой удельной поверхностью и высокой активностью.
1. Принцип
Принцип золь-гель-метода основан на реакции гидролиза и поликонденсации между раствором, содержащим ион циркония (например, алкоксид циркония) и источник углерода (например, глюкоза) в жидкой фазе с образованием геля. После сушки и термообработки гель подвергается реакции карботермического восстановления с образованием ZrC. Уравнение реакции выглядит следующим образом:
Zr(OR)4+C6H12O6→ZrC+CO2+H2O
2. Шаги
Конкретные этапы золь-гель-метода следующие:
(1) Приготовление раствора:
Смешайте раствор, содержащий ионы циркония (например, алкоксид циркония), с источником углерода (например, глюкозой) в определенной пропорции и равномерно перемешайте. Соотношение смешивания должно быть оптимизировано в соответствии с требуемым составом ZrC и условиями реакции.
(2) Образование геля:
Смешанному раствору дают постоять при комнатной температуре в течение определенного периода времени, чтобы он подвергся гидролизу и реакции поликонденсации с образованием геля. При образовании геля раствор постепенно теряет текучесть и образует твердое вещество определенной прочности.
(3) Обработка сушкой:
Гель сушат в сушильном шкафу для удаления из геля влаги и органических растворителей. В процессе высыхания объем геля постепенно уменьшается с образованием пористого сухого геля.
(4) Термическая обработка:
Нагрейте сухой гель в инертной атмосфере (например, аргоне) и нагрейте его до высокой температуры (например, 1500 градусов). Во время термообработки сухой гель подвергается реакции карботермического восстановления с образованием ZrC.
При этом пористая структура сухого геля постепенно исчезла, образовав плотные частицы ZrC.
3. Преимущества и недостатки
Преимущество:
Наноуровень: золь-гель метод позволяет получить наночастицы ZrC с большой удельной поверхностью и высокой активностью.
Простой процесс: технологическая схема золь-гель-метода относительно проста, проста в эксплуатации и обеспечивает промышленное производство.
Низкая стоимость оборудования: по сравнению с химическим осаждением из паровой фазы стоимость оборудования для золь-гель метода ниже.
Энергосбережение: температура реакции золь-гель-метода относительно низкая, что позволяет экономить энергию.
Недостатки:
Высокая стоимость сырья: золь-гель-метод требует использования-алкоксида циркония высокой чистоты, глюкозы и другого сырья, а стоимость сырья высока.
Остаточные небольшие отверстия. В частицах ZrC, приготовленных золь-методом, могут оставаться остаточные небольшие отверстия, что влияет на компактность и эксплуатационные характеристики материалов.
Контроль температуры во время термообработки: во время процесса термообработки необходим точный контроль температуры, чтобы избежать остаточного углерода и повлиять на чистоту ZrC.
Длительное время реакции: время реакции золь-гель-метода велико, что влияет на эффективность производства.
Вред органических растворителей: органические растворители, используемые в золь-гель-методе, вредны для организма человека.
4. Примеры применения
Наночастицы ZrC, полученные золь-методом, широко используются в биомедицинской, каталитической, электронной и других областях. Например:
Биомедицина: используется в качестве искусственных суставов и стоматологических материалов. Наночастицы ZrC обладают превосходной биосовместимостью и биостабильностью и могут быть совместимы с тканями человека, не вызывая реакций отторжения.
Катализ: используется в качестве носителя катализатора. Наночастицы ZrC имеют большую удельную поверхность и высокую активность, что может повысить каталитическую эффективность катализаторов.
Электроника. Материалы, используемые для производства высокопроизводительных электронных устройств-. Эти наночастицы обладают превосходной проводимостью и высокой-температурной стабильностью, что позволяет повысить производительность и надежность электронных устройств.
Карбид цирконияне был обнаружен как природный минерал, но впервые был синтезирован в ходе лабораторных исследований, охватывающих конец 19-го - середину 20-го века, основанных на ранних исследованиях циркония и тугоплавких карбидов. Элемент цирконий был выделен из цирконовой руды в 1789 году, однако стабильные бинарные соединения Zr–C оставались неисследованными более столетия.
В конце-химики конца 1800-х годов попытались провести прямые реакции в твердом состоянии между необработанным металлическим цирконием и графитом при очень высоких температурах, но загрязнение кислородом и азотом из открытых печей привело к образованию нечистых смесей оксикарбидов без подтвержденной идентификации фазы ZrC.
Систематические исследования начались в 1920-х годах после появления вакуумных высокотемпературных-печей. Ученые оптимизировали карботермическое восстановление циркония углеродом в инертной атмосфере, получив идентифицируемый кристаллический ZrC и проверив его кристаллическую структуру каменной-соли с помощью примитивной дифракции рентгеновских лучей.
В 1930–1940-х годах исследования в области ядерной энергетики привели к более глубокой характеристике: низкое сечение захвата нейтронов- и сверхвысокая температура плавления ZrC привлекли внимание к компонентам реакторов, что привело к стандартизации протоколов синтеза и точным испытаниям свойств.
Космическая гонка 1960-х годов значительно ускорила развитие. Исследователи нанесли на карту полную фазовую диаграмму Zr–C, уточнили диапазоны нестехиометрических твердых-растворов ZrCₓ и впервые разработали покрытия ZrC, нанесенные из паровой фазы-, для тепловой защиты гиперзвуковых транспортных средств.
Начиная с 1970-х годов методы CVD и плазменного напыления расширили промышленное производство, а современные дифракционные инструменты выявили упорядоченные углеродные-суперструктуры вакансий, завершив вековые-исследования этой сверх-высоко-температурной керамики.
Часто задаваемые вопросы
Для чего используется карбид циркония?
+
-
Карбид циркония (ZrC) — это потенциальное покрытие,-поглощающий кислород или инертный матричный материал дляусовершенствованное топливо для высокотемпературных реакторов. ZrC продемонстрировал привлекательные свойства для этих видов топлива, включая превосходную стойкость к коррозии продуктов ядерного деления и способность удерживать продукты ядерного деления.
При какой температуре плавится карбид циркония?
+
-
Карбид циркония (ZrC) имеет температуру плавления примерно от 3532 до 3540 градусов (от 6390 до 6404 градусов по Фаренгейту или от 3805 до 3813 К).
горячая этикетка : Карбид циркония cas 12070-14-3, поставщики, производители, завод, опт, купить, цена, оптом, продажа