碳化鉭

碳化鉭是一類二元化合物，由鉭和碳組成，實驗式TaC_x，x 一般在 0.4 到1 之間。它們的硬度極大，脆，是耐火材料，具有金屬的電導率。它是一種棕灰色粉末，通常通過燒結處理。

碳化鉭
IUPAC名 Tantalum carbide
別名	碳化鉭(IV)
識別
CAS號	12070-06-3  Y 12070-07-4（(TaC0.5)）  Y
SMILES	[Ta+]#[C-]
InChI	1S/C.Ta/q-1;+1
InChIKey	DUMHRFXBHXIRTD-UHFFFAOYSA-N
性質
化學式	TaC
摩爾質量	192.96 g/mol g·mol⁻¹
外觀	棕灰色粉末
氣味	無臭
密度	14.3–14.65 g/cm3 (TaC) 15.1 g/cm3 (TaC0.5)[1]
熔點	3,850—3,880 °C（4,120—4,150 K）(TaC)[2] 3,327 °C（6,021 °F；3,600 K） (TaC0.5)[1]
沸點	4,780—5,470 °C（5,050—5,740 K）(TaC)[1][2]
溶解性（水）	不溶
溶解性	可溶於HF-HNO3的混合物[1]
熱導率	21 W/m·K
熱力學
ΔfHm⦵298K	−144.1 kJ/mol
S⦵298K	42.29 J/mol·K
熱容	36.71 J/mol·K[3]
相關物質
相關化學品	一氮化鋯 碳化鈮 碳化鋯
若非註明，所有數據均出自標準狀態（25 ℃，100 kPa）下。

作為重要的金屬陶瓷（英語：cermet）材料，碳化鉭在商業車刀中用於切削應用，有時會添加到碳化鎢合金中。^[4]

取決於純度和測量條件，碳化鉭的熔點在約3880℃達到峰值。這個值是二元化合物里最高的。^[5][6]只有碳化鉭鉿的熔點可能略高，大約為3942°C，^[7]而碳化鉿的熔點與TaC相當。

製備

TaC_x粉末是由鉭和石墨的粉末在真空或惰性氣體(氬)里使用爐子或電弧熔化裝置在約2000℃的溫度下進行加熱。^[8][9]鉭和石墨的量決定了x的值。另一種技術是在真空或氫氣氣氛中，在1500–1700℃的溫度下通過碳進行五氧化二鉭的還原。該方法於1876年用於獲得碳化鉭，^[10]但它無法控制產物的化學計量。^[6]自蔓延高溫合成（英語：self-propagating high-temperature synthesis）法也是已報道的直接從單質製備TaC的方法之一。^[11]

晶體結構

β-TaC_0.5 的晶體結構，藍色的是鉭原子

當 x = 0.7–1.0 時，TaC_x有着立方結構 (岩鹽的結構) 。^[12]碳化鉭的晶格常數會隨着x增長而增長。^[13] TaC_0.5有兩種結構。較穩定的具有反碘化鎘型三角結構，該結構在加熱至約2000℃時轉變為六方晶格，對碳原子來說已經沒有規律了。^[8]

實驗式	對稱性	種類	皮爾遜符號	空間群	No	Z	ρ (g/cm3)	a (nm)	c (nm)
TaC	立方	NaCl[13]	cF8	Fm3m	225	4	14.6	0.4427
TaC0.75	三方[14]		hR24	R3m	166	12	15.01	0.3116	3
TaC0.5	三方[15]	反-CdI2	hP3	P3m1	164	1	15.08	0.3103	0.4938
TaC0.5	六方[9]		hP4	P63/mmc	194	2	15.03	0.3105	0.4935

在這個表中，Z是每單位的配位數，ρ是由晶格常數計算而來的密度。

性質

碳化鉭中鉭和碳原子之間的鍵是離子鍵，金屬鍵和共價鍵混合，是很複雜的鍵，並且由於強共價成分，這些碳化物是非常堅硬且易碎的材料。舉個例子，TaC的顯微硬度為1600-2000 kg/mm^{2 [16]}（〜9 Mohs）和285 GPa的彈性模量，而鉭的相應值為110 kg/mm²和186 GPa。碳化鉭的硬度，屈服和剪切應力隨TaC_x中碳含量的增加而增加。^[17]

碳化鉭無論是什麼大小和溫度都具有金屬導電性。TaC 可以在10.35 K以下轉變為超導體。^[13]

TaC_x的磁性能從x≤0.9的反磁性變為「 x」≥0.9的順磁性。儘管HfC_x具有與TaC_x相同的晶體結構，但仍觀察到了相反的行為（磁性隨x的增加而減少）。^[18]

應用

碳化鉭因其在熔點、硬度、彈性模量、導熱性、熱衝擊方面的優異物理性能而被廣泛用作超高溫陶瓷（UHTC）的燒結添加劑或高熵合金（HEA）的陶瓷增強材料抵抗力和化學穩定性，這使其成為航空航天工業中飛機和火箭的理想材料。

天然存在

鉭碳礦（英語：Tantalcarbide）是碳化鉭的天然存在形式。它屬立方晶系，並且非常稀有。^[19]

參見

• 碳化鉿