“鋯”元素是材料人最熟悉的元素之一，是過渡金屬元素的重要組成部分。鋯的化合物也被廣泛應(yīng)用在眾多國(guó)計(jì)民生領(lǐng)域，受到廣泛的重視。比如，鋯的氧化物“氧化鋯”是重要的耐火材料、陶瓷絕緣材料和陶瓷遮光劑以及人工鉆的主要原料；鋯的碳化物“碳化鋯”則具有過渡金屬碳化物的通用特點(diǎn)，如超高的硬度、超高的熔點(diǎn)、很好的耐腐蝕性及機(jī)械穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，在硬質(zhì)合金、切削刀具和高溫結(jié)構(gòu)材料等方面有著很好的應(yīng)用。

在元素周期表上相鄰的鋯和鉿

目前，關(guān)于鋯的研究和應(yīng)用已經(jīng)逐漸成熟，因此材料行業(yè)開始將眼光轉(zhuǎn)移至它的同族元素“鉿”——一種與鋯具有類似的性質(zhì)與用途，但具有更大的硬度和更高的熔點(diǎn)等性質(zhì)的元素。它的碳化物“碳化鉿”同樣也是一種典型的過渡金屬碳化物，粉末灰色，立方系晶體，是已知單一化合物中熔點(diǎn)最高者，還具有高達(dá)3890℃的熔點(diǎn)、高的硬度、較好的高溫強(qiáng)度、優(yōu)秀的耐腐蝕性和熱導(dǎo)率較低等優(yōu)異特性。

碳化鉿粉體（圖片來源：長(zhǎng)玉特陶）

接下來，小編就帶您淺談一下碳化鉿的性質(zhì)與下游潛力。文章相關(guān)素材來自專業(yè)主攻800nm以下超細(xì)非氧化物粉體量產(chǎn)的吉林長(zhǎng)玉特陶新材料技術(shù)股份有限公司（長(zhǎng)玉特陶），如果想進(jìn)一步了解這種高溫材料歡迎與他們聊聊哦。

一、碳化鉿的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

碳化鉿(HfC)是過渡元素Hf與C形成的一種非化學(xué)計(jì)量的碳化物，即HfC_x(0.5≤x≤1)。它的結(jié)構(gòu)是NaCl型的面心立方結(jié)構(gòu)，空間群是Fm3m，其實(shí)驗(yàn)晶格常數(shù)a=0.4641 nm。Hf原子構(gòu)成立方晶格，C原子位于立方晶格的八面體間隙。

由于C-Hf共價(jià)鍵鍵能大，要破壞其結(jié)構(gòu)非常困難，因此HfC宏觀上表現(xiàn)出超高硬度特性，其莫式硬度為9M，僅次于金剛石；又由于HfC晶體熔化時(shí)必須破壞高度對(duì)稱分布的原子鍵，然而破壞此鍵極其困難，從而宏觀上表現(xiàn)出超高熔點(diǎn)的特性，且HfC的原子鍵的鍵能高達(dá)EA=87.2163kJ/mol，故HfC的熔點(diǎn)高達(dá)3890℃。

碳化鉿TEM圖（圖片來源：長(zhǎng)玉特陶）

張淑華等人利用準(zhǔn)諧德拜模型探索了碳化鉿熱力學(xué)性質(zhì)，得到以下結(jié)論：碳化鉿的熵、熱膨脹系數(shù)和等容熱容與溫度成正比相關(guān)關(guān)系，與壓力成反比相關(guān)關(guān)系，而其德拜溫度則是隨著壓力的升高而降低，隨著溫度的升高而減小。同時(shí)HfC還具有很好的耐沖擊性能，碳化鉿具體的基本性能可見下表。

碳化鉿的基本性能

二、碳化鉿的應(yīng)用潛力

高熔點(diǎn)、高硬度、高溫強(qiáng)度及耐腐蝕性優(yōu)異…這些特征讓HfC在特種耐火材料、高溫結(jié)構(gòu)材料、切削刀具以及航空航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，以下是幾個(gè)代表應(yīng)用。

1、切削工具

前文提到HfC的硬度很高（莫氏硬度為9M），僅次于金剛石，因此它可以作為硬質(zhì)合金的添加劑使用。這種復(fù)合后的硬質(zhì)合金不僅耐磨性強(qiáng)、抗壓強(qiáng)度高、硬度高，而且化學(xué)穩(wěn)定性良好，因而可廣泛應(yīng)用于耐磨、耐腐蝕的產(chǎn)品中，切削刀具就是一個(gè)常見代表。

另外HfC在切削刀具領(lǐng)域中，憑借這些優(yōu)秀的性能還有另一種用法——“一枝獨(dú)秀”作為刀具涂層材料使用。據(jù)悉，HfC薄膜具有高的硬度、良好的耐磨性能和優(yōu)異的耐腐蝕性能，在刀具涂層有著極大的潛力。

2、發(fā)動(dòng)機(jī)噴管喉襯

碳碳(C/C)復(fù)合材料具有比其他材料優(yōu)越的高溫?zé)嵛锢砗土W(xué)性能，目前是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管喉襯的首選材料。但是在發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，C/C復(fù)合材料的喉襯會(huì)因?yàn)闊崃鞯臒g而受到破壞，因而使得噴管的效率降低。

但若將HfC引入（C/C）復(fù)合材料中便可提高其抗燒蝕性能——除了HfC本身優(yōu)秀的強(qiáng)度和硬度可以提高復(fù)合材料的機(jī)械性能外，也因其在高溫下，HfC會(huì)優(yōu)先與氧氣反應(yīng)形成HfO₂，并且較ZrC而言，HfC的抗氧化能力更強(qiáng)，氧化生成的ZrO2層也更為致密，從而阻止有氧氣氛對(duì)復(fù)合材料中碳基體和碳纖維的氧化，是C/C復(fù)合材料體系中重要的抗氧化燒蝕添加劑。

3、渦輪轉(zhuǎn)子

渦輪轉(zhuǎn)子是用于制作航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端部件，又是工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)、能源、化工等工業(yè)部門所需的高溫耐蝕材料。HfC具有高達(dá) 3900℃的熔點(diǎn)、超高的硬度、超強(qiáng)的耐磨性和優(yōu)異的抗腐蝕性能，因此它的加入能夠顯著提高渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)件系列合金在高溫下的強(qiáng)度和抗腐蝕能力。

三、碳化鉿的制備難度

各種優(yōu)異的性能讓HfC具有廣泛的應(yīng)用前景，因而生產(chǎn)出性價(jià)比高的碳化鉿納米粉體就顯得尤為重要。然而由于HfC的合成溫度過高，制備成本較高，通過一般方法制得的HfC粉體質(zhì)量較差，粒徑以及純度很難達(dá)到最優(yōu)，自然應(yīng)用上也會(huì)受到影響。

碳化鉿SEM圖（圖片來源：長(zhǎng)玉特陶）

在制備門檻如此之高的情況下，目前國(guó)內(nèi)從事碳化鉿的研發(fā)與生產(chǎn)的企業(yè)并不多，上面提到的長(zhǎng)玉特陶就是其中之一。為了制備純度高，粒徑小的HfC納米粉體材料，長(zhǎng)玉特陶采用了一種針對(duì)超細(xì)粉體優(yōu)化的碳熱還原法，經(jīng)過獨(dú)特的原材料預(yù)處理和自行研制的專用設(shè)備，超細(xì)高純粉體得以在可控壓力和氣氛的真空中直接合成。具體的參數(shù)可看以下表格及圖片。

粒徑分布及XRD圖譜

總之通過這招“拿手好戲”，相比較于一般工藝，由長(zhǎng)玉特陶生產(chǎn)的超細(xì)HfC粉體具有粒度分布窄、流動(dòng)性好、雜質(zhì)含量少、燒結(jié)活性高的特點(diǎn)，為其推廣應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。若您對(duì)HfC這種優(yōu)秀的高溫材料感興趣并想進(jìn)一步了解，歡迎通過粉體圈與長(zhǎng)玉特陶取得聯(lián)系，共同挖掘HfC的下游潛力和應(yīng)用前景。

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