کاربید زیرکونیوم : خواص، تولید، کاربردها!

 

کاربید زیرکونیوم یک ماده سرامیکی نسوز به شکل جامد یا پودر خاکستری رنگ است که بسیار سخت بوده و به صورت تجاری در بیت ابزار برای برش ابزار استفاده می شود و معمولاً با پخت فرآوری می شود.

 

این ماده شکل ظاهری یک پودر متالیک خاکستری با ساختار بلور مکعب دارد و بسیار مقاوم در برابر خوردگی است. این کاربید فلزی انتقالی بینابینی گروه IV همچنین عضوی از سرامیک های با درجه حرارت فوق العاده بالا یا (UHTC) می باشد.

 

به دلیل وجود پیوند فلزی، دارای هدایت حرارتی و رسانایی الکتریکی است، که هر دو خاصیت مشابه فلز زیرکونیوم هستند. پیوند کووالانسی قوی Zr-C به این ماده یک نقطه ذوب بسیار بالا، مدول بالا و سختی می دهد. این ماده در مقایسه با سایر کاربیدها مانند WC تراکم ساختاری کمتری دارد.

 

زیرکونیوم کاربید برای استفاده در وسایل نقلیه، موتورهای موشکی یا اسکرام جت یا وسایل نقلیه مافوق صوت که در آنها توانایی های تحمل بار چگالی کم و دمای بالا ضروری است، مناسب می باشد.

 

خواص و مشخصات شناسایی کاربید زیرکونیوم

 

خواص  مشخصات
شکل فیزیکی                                                           پودر خاکستری فرمول شیمیایی                                                                            ZrC
دانسیته (در ۲۴ درجه سانتیگراد)                                        (g/cm۳)۶.۷۳ وزن مولکولی                                                         (g/mol) 103.235
نقطه ذوب                                                               (۰C)3532-3540 شماره (CAS No)                                                           ۱۲۰۷۰-۱۴-۳
حلالیت در آب                                                                   نامحلول ساختار کریستالی                                               مکعبی، cF8

 

مانند بیشتر کاربیدهای فلزات نسوز، زیرکونیوم کاربید زیر استوکیومتری است، یعنی حاوی جای خالی کربن است. در محتوای کربن بالاتر از تقریباً ZrC۰.۹۸، این ماده حاوی کربن آزاد می باشد و ترکیب ZrC برای نسبت کربن به فلز از ۰.۶۵ تا ۰.۹۸ متغیر است.

 

کاربیدهای فلزی گروه IVA  TiC  ZrC و SiC عملا نسبت به حمله توسط اسیدهای آبی قوی (HCl) و بازهای آبی قوی (NaOH) حتی در دمای ۱۰۰ درجه سانتیگراد بی اثر هستند، با این حال، کاربید زیرکونیوم با HF واکنش نشان می دهد. مخلوط کاربید زیرکونیوم و کاربید تانتالوم یک ماده مهم سرمت است.

 

تولید کاربید زیرکونیم

 

تولید کاربید زیرکونیم

 

زیرکونیوم کاربید را می توان به روش های مختلفی تهیه کرد. یک روش واکنش کاربوترمی زیرکونیا توسط گرافیت است که منجر به تولید پودر آن می گردد. سپس با پختن پودر ZrC در دمای بالاتر از ۲۰۰۰ درجه سانتیگراد می توان نوع متراکم این ماده را تولید کرد.

 

فشار داغ کاربید زیرکونیوم می تواند درجه حرارت پخت را پایین آورده و در نتیجه به تولید ZrC با دانه های کاملاً متراکم کمک می کند. از پخت پلاسمائی جرقه ای نیز برای تولید نوع کاملاً متراکم این ماده استفاده شده است.

 

کاربید زیرکونیوم همچنین می تواند از طریق فرآوری مبتنی بر محلول ساخته شود که با استفاده از ریفلاکس اکسید فلز با استیل استون حاصل می شود. روش دیگر ساخت رسوب بخار شیمیایی است که در آن، با گرم کردن اسفنج زیرکونیوم و تجزیه گاز هالید، زیرکونیم کاربید به دست می آید.

 

مقاومت ضعیف در برابر اکسیداسیون بیش از ۸۰۰ درجه سانتیگراد، کاربردهای کاربید زیرکونیوم را محدود می کند. یکی از راه های بهبود مقاومت در برابر اکسیداسیون، ساخت کامپوزیت است.

 

کامپوزیت های مهم پیشنهادی کامپوزیت ZrC-ZrB۲ و ZrC-ZrB۲-SiC هستند. این کامپوزیت ها می توانند تا دمای ۱۸۰۰ درجه سانتیگراد کار کنند. روش دیگر برای بهبود این کار استفاده از ماده دیگری به عنوان لایه مانع، مانند ذرات سوخت TRISO می باشد.

 

استوکیومتری کاربید زیرکونیوم

 

استوکیومتری کاربید زیرکونیوم

 

در  سال ۲۰۲۰ مقاله ای با عنوان بالا در مجله nature منتشر شده است. در چکیده این کار آمده است که وابستگی خواص ترمومکانیکی پیشرفته کاربید زیرکونیم با خلوص نمونه و استوکیومتری هنوز به دلیل اختلاف در تحقیقات انجام شده تا کنون قابل درک نیست!

 

محققان اخیراً یک رابطه خطی بین نسبت اتمی کربن به زیرکونیوم (C / Zr) و پارامتر شبکه را گزارش کرده اند، در مقابل با یک رابطه ثابت تر که نشان می دهد مقدار پارامتر شبکه به حداکثر مقدار در C / Zr ~ 0.83 می رسد .

 

در این مطالعه، رابطه بین نسبت اتمی C / Zr و پارامتر شبکه به طور انتقادی ارزیابی می شود: مشخص شده است که مطالعات اخیر گزارشگر خواص ترموفیزیکی ZrCx به طور ناخواسته نمونه های حاوی اکسید کربن زیرکونیوم تولید و مشخص شده است.

 

برای جلوگیری از چنین خصوصیات غلطی از خصوصیات گرمابی فیزیکی ZrCx در آینده، ما یک روش برای اندازه گیری دقیق استوکیومتری ZrCx با استفاده از سه تکنیک آزمایشی مستقل یعنی  تجزیه و تحلیل عنصری، حرارتی و طیف سنجی تشدید مغناطیسی هسته ای پیشنهاد شده است.

 

کاربردهای زیرکونیم کاربید

 

کاربردهای زیرکونیم کاربید

 

کاربید زیرکونیوم بدون هافنیوم و کاربید نیوبیم می توانند به عنوان پوشش نسوز در راکتورهای هسته ای استفاده شوند. به دلیل سطح مقطع جذب نوترون کم و حساسیت ضعیف به آسیب تحت تابش، به عنوان پوشش دی اکسید اورانیوم و ذرات دی اکسید توریم سوخت هسته ای به کار می روند.

 

این پوشش معمولاً با رسوب بخار شیمیایی حرارتی در یک راکتور بستر سیال رسوب می کند. این ماده همچنین دارای پراش پذیری بالا و ظرفیت جریان بالا در دمای بالا است.

 

کاربید زیرکونیوم را به عنوان ماده امیدوار کننده ای برای استفاده در رادیاتورهای حرارتی، فتوولتائیک و نکات و آرایه های انتشار دهنده میدانی استفاده می کنند. این ماده همچنین به عنوان ساینده، در روکش ها، در سرمت ها، رابط های رشته ای و ابزارهای برش استفاده می شود.