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Il re del punto di fusione: perché il carburo di Tarkin ha un punto di fusione più alto del metallo?
I carburi di tantalio (TaC) sono un composto binario composto da tantalio e carbonio. La sua formula chimica è TaCx. Il valore di x è solitamente compreso tra 0,4 e 1. Questa sostanza, che si presenta come una polvere grigio-brunastra, è nota per il suo punto di fusione e durezza estremamente elevati ed è ampiamente utilizzata nella ceramica e nei metalli. Come si ottiene un punto di fusione così alto?
Secondo le stime precedenti, il carburo di Tarkin ha un punto di fusione di circa 3.880°C, che è probabilmente il più alto di tutti i composti binari. Tuttavia, nuovi esperimenti hanno confermato che il suo punto di fusione effettivo è 3.768°C.
Il carburo di Tarkin ha un punto di fusione vicino a quello dei composti binari più alti, motivo per cui è un importante materiale ceramico. Sebbene il suo utilizzo principale sia nella produzione di utensili da taglio, le sue caratteristiche prestazionali gli hanno conferito un ruolo importante in settori come quello aerospaziale. La tenacità di questi materiali combinata con i loro eccellenti punti di fusione li rendono candidati ideali per ceramiche a temperatura ultraelevata (UHTC) o leghe ad alta entropia (HEA).
Metodo di preparazione
Quando si prepara la polvere TaCx della composizione desiderata, TaCx viene solitamente miscelato con polvere di grafite e riscaldato sotto vuoto o in un ambiente di gas inerte (come l'argon). La temperatura di riscaldamento è di circa 2.000°C per la sinterizzazione della polvere. Un altro metodo consiste nel ridurre il pentossido d'oro con carbonio in atmosfera di vuoto o idrogeno, con la temperatura controllata tra 1.500-1.700°C. Questo metodo è stato utilizzato per ottenere il carburo di Tarkin già nel 1876, sebbene la capacità di controllare la stechiometria del prodotto fosse limitata.
La struttura cristallina del composto TaCx è un sistema cubico e aumenta con la variazione del valore x.
Funzionalità e applicazioni
La struttura del carburo Tarkin lo rende estremamente duro e fragile. La sua microdurezza è compresa tra 1.600 e 2.000 kg/mm², un valore eccellente rispetto alla durezza Tarkin ordinaria (circa 110 kg/mm²). La sua conduttività elettrica unita alla temperatura di transizione superconduttiva relativamente elevata lo rendono particolarmente importante nelle applicazioni di fascia alta. La sostanza è nota per il suo eccellente punto di fusione, durezza e conduttività termica, che la rendono un materiale ideale per aerei e razzi.
Ad esempio, nella ricerca di Wang et al., il substrato ceramico SiBCN è stato sintetizzato mediante lega meccanica e sinterizzazione reattiva con pressatura a caldo, a cui è stato aggiunto TaC. Dopo la macinazione a sfere, le particelle di TaC sono state macinate a 5 nanometri, il che ha portato la resistenza alla frattura del substrato a 399,5 MPa sotto uno stress di 950 MPa. Rispetto ai 127,9 MPa del substrato tradizionale, si tratta senza dubbio di un enorme miglioramento. Ciò è dovuto alla differenza nel coefficiente di espansione termica del TaC e del substrato di ossido SiBCN, che consente alle crepe di bypassare le particelle e assorbire energia, migliorando così la tenacità del materiale.
Inoltre, Wei et al. hanno sintetizzato un nuovo substrato MoNbRe0,5W(TaC)x HEA utilizzando la tecnologia di fusione ad arco sotto vuoto. I loro risultati hanno mostrato che anche la resistenza del materiale è migliorata significativamente con aggiunte di TaC più elevate e hanno mostrato una buona combinazione di stress da trazione BCC e fase MC sotto radiazione TEM, che ha contribuito a ridurre la dimensione dei grani e a migliorare ulteriormente la resistenza del materiale di base. Il progresso di questa ricerca migliorerà senza dubbio il potenziale applicativo delle leghe ad alta entropia.
Forme naturali di esistenza
Il carburo di Tarkin naturale esiste sotto forma di un minerale estremamente raro. Anche la struttura cristallina di questo minerale è cubica, dimostrando il suo valore nelle scienze naturali.
Nel complesso, l'elevato punto di fusione del carburo Tarkin e la diversità delle sue straordinarie proprietà gli consentono di svolgere un ruolo importante nella scienza dei materiali e nelle applicazioni industriali. Le sue caratteristiche uniche offrono possibilità illimitate per lo sviluppo della tecnologia moderna. Oppure, quali nuovi materiali appariranno in futuro per sfidare lo status del carburo di Tarkin?
