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Rey del punto de fusión: ¿Por qué el punto de fusión del carburo de Tajín es más alto que el del metal?
Los carburos de tantalio (TaC) son un compuesto binario compuesto de tantalio y carbono. Su fórmula química es TaCx. El valor de x suele estar entre 0,4 y 1. Esta sustancia, que aparece como un polvo de color gris pardusco, es conocida por su punto de fusión y dureza extremadamente altos y se usa ampliamente en cerámica y metales. ¿Cómo se consigue un punto de fusión tan alto?
Según estimaciones anteriores, el carburo de Tarkin tiene un punto de fusión de aproximadamente 3880 °C, que es probablemente el más alto de todos los compuestos binarios. Sin embargo, nuevos experimentos han confirmado que su punto de fusión real es de 3.768°C.
El carburo de Tarkin tiene un punto de fusión cercano al de los compuestos binarios más altos, por lo que es un material cerámico importante. Aunque su uso principal es en la fabricación de herramientas de corte, sus características de rendimiento le han otorgado un papel importante en industrias como la aeroespacial. La dureza de estos materiales combinada con sus excelentes puntos de fusión los convierte en candidatos ideales para cerámicas de temperatura ultraalta (UHTC) o aleaciones de alta entropía (HEA).
Método de preparación
Al preparar el polvo de TaCx de la composición deseada, el TaCx generalmente se mezcla con polvo de grafito y se calienta al vacío o en un ambiente de gas inerte (como argón). La temperatura de calentamiento es de aproximadamente 2000°C para sinterizar el polvo. Otro método consiste en reducir el pentóxido de oro con carbono en una atmósfera de vacío o de hidrógeno, con la temperatura controlada entre 1.500 y 1.700°C. Este método se utilizó para obtener carburo de Tarkin ya en 1876, aunque la capacidad de controlar la estequiometría del producto era limitada.
La estructura cristalina del compuesto TaCx es un sistema cúbico y aumenta con el cambio del valor de x.
Características y aplicaciones
La estructura del carburo Tarkin lo hace extremadamente duro y quebradizo. Su microdureza es de aproximadamente 1.600 a 2.000 kg/mm², lo que es excelente en comparación con la dureza Tarkin ordinaria (aproximadamente 110 kg/mm²). Su conductividad eléctrica, junto con su temperatura de transición superconductora relativamente alta, lo hace particularmente importante en aplicaciones de alta gama. La sustancia es conocida por su excelente punto de fusión, dureza y conductividad térmica, lo que la convierte en un material ideal para aviones y cohetes.
Por ejemplo, en la investigación de Wang et al., el sustrato cerámico SiBCN se sintetizó mediante aleación mecánica y sinterización reactiva por prensado en caliente, y se le añadió TaC. Después del molino de bolas, las partículas de TaC se molieron a 5 nanómetros, lo que aumentó la tenacidad a la fractura del sustrato a 399,5 MPa bajo una tensión de 950 MPa. En comparación con los 127,9 MPa del sustrato tradicional, esto es sin duda una gran mejora. Esto se debe a la diferencia en el coeficiente de expansión térmica del TaC y el sustrato de óxido de SiBCN, lo que permite que las grietas eviten las partículas y absorban energía, mejorando así la tenacidad del material.
Además, Wei et al. sintetizaron un nuevo sustrato MoNbRe0.5W(TaC)x HEA utilizando tecnología de fusión por arco al vacío. Sus resultados mostraron que la resistencia del material también mejoró significativamente con mayores adiciones de TaC, y mostraron una buena combinación de tensión de tracción BCC y fase MC bajo radiación TEM, lo que ayudó a reducir el tamaño del grano y mejora aún más la resistencia del material base. Sin duda, el progreso de esta investigación mejorará el potencial de aplicación de las aleaciones de alta entropía.
Formas naturales de existencia
El carburo de Tarkin natural existe en forma de un mineral extremadamente raro. La estructura cristalina de este mineral también es cúbica, lo que demuestra su valor en las ciencias naturales.
En general, el alto punto de fusión del carburo Tarkin y la diversidad de sus notables propiedades le permiten desempeñar un papel importante en la ciencia de los materiales y las aplicaciones industriales. Sus características únicas brindan posibilidades ilimitadas para el desarrollo de la tecnología moderna. ¿O qué nuevos materiales aparecerán en el futuro para desafiar el estatus del carburo Tarkin?
