碳化钽的应用和制备

背景及概述^[1]

黑色或暗棕色金属状粉末，立方晶系，质坚硬。相对密度13.9，熔点3880℃，沸点5500℃。含有75%碳化钽与25%碳化铪的混和物，具有4200℃以上的熔点。化学性质极为稳定。不溶于水，微溶于硫酸和氢氟酸，溶于氢氟酸和硝酸的混合溶液。由五氯化钽与甲烷为反应气，用氩作载体，用碳化硅电阻从外部辐射加热、碳化或五氧化钽与炭黑混和，加压粉末成型，在氢气或真空中加热而制得。用于制造切削工具。碳化钽(TaC)是耐超高温陶瓷家族的一员，具有高熔点(3880℃)、高硬度(20GPa)、高弹性模量(450GPa)、良好的导电导热性(25℃，42.1μΩ·cm-1，22W·m-1·K-1)、耐化学腐蚀、高温强度高、抗热冲击性好等优异的物理和化学性能。TaC的致密成型方式主要是粉末烧结，粉体的质量直接决定材料的性能。

应用^[2-5]

碳化钽可广泛应用于工具钢、耐磨损部件、硬质涂层、导电薄膜、光学涂层以及飞行器前缘和鼻锥等领域。其应用举例如下：

1）制备生长氮化铝单晶所用碳化钽坩埚，包括：高纯碳化钽粉、粘结剂、包套模具、液体压力介质、密闭高压容器、坩埚、车床及高温加热炉；将高纯碳化钽粉与粘结剂混合均匀后烘干，装入包套模具材料中；再装入倒满液体压力介质的密闭高压容器中进行高压压制成碳化钽坩埚模型；放入坩埚内，再放在高温加热炉里进行高温烧结；利用车床对其进行车削加工，得到合适大小的碳化钽坩埚；再经过高温加热炉高温定型，得到生长氮化铝单晶所用的碳化钽坩埚。本发明能够延长碳化钽坩埚使用寿命，提升其生长氮化铝单晶的晶体质量，增加单晶可用面积；且方法简单，可实现低成本氮化铝单晶的制备。

2）制备一种含有碳化钽的保温面料，包括帆布层、碳化钽层、毛绒层，其特征在于：碳化钽层的碳化钽为长条结构，毛绒层有众多毛绒缝隙，本发明的积极效果是：碳化钽层的碳化钽具有较好的吸热保温效果，通过毛绒层的多毛绒缝隙将热量传输到人体上达到保温的效果，同时减轻了传统保温面料的重量，本发明结构简单、适用性强、容易普及。

3）备一种在高温下，对于还原性气体具有较好的耐腐蚀性以及耐热冲击性的碳化钽被覆碳材料。根据本发明提供一种碳化钽被覆碳材料，其含有碳基材，以及在上述碳基材上直接或通过中间层形成的被覆膜。被覆膜由碳化钽的许多微晶体致密地聚集而形成，优选被覆膜的X射线衍射图中，基于碳化钽的(220)面的衍射强度显示出的强度，更优选上述衍射强度显示出第2高强度的衍射强度的4倍或4倍以上的强度。

制备^[6]

一种成本低、烧结活性好的碳化钽粉体的反应合成方法。其技术方案为：采用酚醛树脂形成的高活性碳为碳源还原氧化钽粉体制备碳化钽粉体，包括以下步骤：

①原料制备：步：将0.1～3μm的氧化钽粉体与酚醛树脂以重量比为5∶0.5～1的比例在混碾机中混合均匀，在80～100℃的温度下固化，然后在制粉机中粉碎制成平均粒径为10～20μm的原料粉1。第二步：将上述原料粉1与酚醛树脂以重量比为5∶1～2的比例在混碾机中混合均匀，在50～100℃的温度下固化，然后在制粉机中粉碎制成平均粒径为20～50μm原料粉2。第三步：将上述原料粉2与酚醛树脂以重量比为5∶2～3的比例在混碾机中混合均匀，在40～80℃的温度下固化，然后在制粉机中粉碎制成平均粒径为50～100μm原料粉3。

②碳化钽粉体合成：将上述原料粉3在0.5～3Mpa的压力下压块，然后在1300℃～2000℃的温度下惰性或还原性气氛气氛烧制6-8小时制得碳化钽块体。

③脱碳处理：将上述碳化钽块体在350～550℃的温度下氧化气氛保温6～12小时脱碳，冷却后粉碎制得碳化钽粉体。

主要参考资料

[1] 无机化合物辞典

[2] 碳化钽耐超高温陶瓷的研究进展

[3] CN201811085528.8制备用于生长氮化铝单晶的碳化钽坩埚的装置及制备方法

[4] CN201610984107.3一种含有碳化钽的保温面料的制作方法

[5] CN200680000138.5碳化钽被覆碳材料及其制造方法

[6] CN201110136108.X碳化钽粉体的制备方法