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“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用在眾多國計民生領域，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，如超高的硬度、超高的熔點、很好的耐腐蝕性及機械穩定性和熱穩定性，在硬質合金、切削刀具和高溫結構材料等方面有著很好的應用。
在元素周期表上相鄰的鋯和鉿
目前，關于鋯的研究和應用已經逐漸成熟，因此材料行業開始將眼光轉移至它的同族元素“鉿”——一種與鋯具有類似的性質與用途，但具有更大的硬度和更高的熔點等性質的元素。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最高者，還具有高達3890℃的熔點、高的硬度、較好的高溫強度、優秀的耐腐蝕性和熱導率較低等優異特性。
碳化鉿粉體（圖片來源：長玉特陶）
接下來，小編就帶您淺談一下碳化鉿的性質與下游潛力。文章相關素材來自專業主攻800nm以下超細非氧化物粉體量產的吉林長玉特陶新材料技術股份有限公司（長玉特陶），如果想進一步了解這種高溫材料歡迎與他們聊聊哦。
一、碳化鉿的結構與性質
碳化鉿(HfC)是過渡元素Hf與C形成的一種非化學計量的碳化物，即HfCx(0.5≤x≤1)。它的結構是NaCl型的面心立方結構，空間群是Fm3m，其實驗晶格常數a=0.4641 nm。Hf原子構成立方晶格，C原子位于立方晶格的八面體間隙。
由于C-Hf共價鍵鍵能大，要破壞其結構非常困難，因此HfC宏觀上表現出超高硬度特性，其莫式硬度為9M，僅次于金剛石；又由于HfC晶體熔化時必須破壞高度對稱分布的原子鍵，然而破壞此鍵極其困難，從而宏觀上表現出超高熔點的特性，且HfC的原子鍵的鍵能高達EA=87.2163kJ/mol，故HfC的熔點高達3890℃。
碳化鉿TEM圖（圖片來源：長玉特陶）
張淑華等人利用準諧德拜模型探索了碳化鉿熱力學性質，得到以下結論：碳化鉿的熵、熱膨脹系數和等容熱容與溫度成正比相關關系，與壓力成反比相關關系，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、碳化鉿的應用潛力
高熔點、高硬度、高溫強度及耐腐蝕性優異…這些特征讓HfC在特種耐火材料、高溫結構材料、切削刀具以及航空航天等領域有著廣泛的應用前景，以下是幾個代表應用。
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合金的添加劑使用。這種復合后的硬質合金不僅耐磨性強、抗壓強度高、硬度高，而且化學穩定性良好，因而可廣泛應用于耐磨、耐腐蝕的產品中，切削刀具就是一個常見代表。
另外HfC在切削刀具領域中，憑借這些優秀的性能還有另一種用法——“一枝獨秀”作為刀具涂層材料使用。據悉，HfC薄膜具有高的硬度、良好的耐磨性能和優異的耐腐蝕性能，在刀具涂層有著極大的潛力。
2、發動機噴管喉襯
碳碳(C/C)復合材料具有比其他材料優越的高溫熱物理和力學性能，目前是固體火箭發動機噴管喉襯的首選材料。但是在發動機的運轉過程中，C/C復合材料的喉襯會因為熱流的燒蝕而受到破壞，因而使得噴管的效率降低。
但若將HfC引入（C/C）復合材料中便可提高其抗燒蝕性能——除了HfC本身優秀的強度和硬度可以提高復合材料的機械性能外，也因其在高溫下，HfC會優先與氧氣反應形成HfO2，并且較ZrC而言，HfC的抗氧化能力更強，氧化生成的ZrO2層也更為致密，從而阻止有氧氣氛對復合材料中碳基體和碳纖維的氧化，是C/C復合材料體系中重要的抗氧化燒蝕添加劑。
3、渦輪轉子
渦輪轉子是用于制作航空、航天發動機的熱端部件，又是工業燃氣輪機、能源、化工等工業部門所需的高溫耐蝕材料。HfC具有高達 3900℃的熔點、超高的硬度、超強的耐磨性和優異的抗腐蝕性能，因此它的加入能夠顯著提高渦輪轉子結構件系列合金在高溫下的強度和抗腐蝕能力。
三、碳化鉿的制備難度
各種優異的性能讓HfC具有廣泛的應用前景，因而生產出性價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粉體質量較差，粒徑以及純度很難達到最優，自然應用上也會受到影響。
碳化鉿SEM圖（圖片來源：長玉特陶）
在制備門檻如此之高的情況下，目前國內從事碳化鉿的研發與生產的企業并不多，上面提到的長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，長玉特陶采用了一種針對超細粉體優化的碳熱還原法，經過獨特的原材料預處理和自行研制的專用設備，超細高純粉體得以在可控壓力和氣氛的真空中直接合成。具體的參數可看以下表格及圖片。
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名稱 |
化學組成（wt.%） |
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碳化鉿 HfC |
C total |
O max |
N max |
S max |
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6.1-6.3 |
0.3 |
0.1 |
0.02 |
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粒徑可根據用戶要求提供 （常備現貨粒徑為200-400nm和600-800nm） |
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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，由長玉特陶生產的超細HfC粉體具有粒度分布窄、流動性好、雜質含量少、燒結活性高的特點，為其推廣應用打下了良好的基礎。若您對HfC這種優秀的高溫材料感興趣并想進一步了解，歡迎通過粉體圈與長玉特陶取得聯系，共同挖掘HfC的下游潛力和應用前景。
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