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融点の王様: なぜターキンカーバイドは金属よりも融点が高いのですか?
タンタル炭化物 (TaC) は、タンタルと炭素で構成される二元化合物です。その化学式は、通常、x の値が 0.4 ～ 1 です。この物質は茶色がかった灰色の粉末であり、融点と硬度が非常に高いことで知られており、セラミックスや金属に広く使用されています。このような高い融点はどのようにして達成されるのでしょうか?
以前の推定によると、ターキン カーバイドの融点は約 3,880°C であり、これはおそらくすべての二元化合物の中で最も高い融点です。しかし、新しい実験により、実際の融点は 3,768°C であることが確認されました。
ターキン カーバイドは、最高の二元化合物の融点に近い融点を持っているため、重要なセラミック材料です。その主な用途は切削工具の製造ですが、その性能特性により航空宇宙などの産業でも重要な役割を果たしています。これらの材料の靭性と優れた融点の組み合わせにより、超高温セラミックス (UHTC) または高エントロピー合金 (HEA) の理想的な候補となります。
準備方法
所望の組成の TaCx 粉末を調製する場合、通常、TaCx はグラファイト粉末と混合され、真空または不活性ガス環境 (アルゴンなど) で加熱されます。粉末を焼結する際の加熱温度は約2,000℃です。もう一つの方法は、温度を1,500～1,700℃に制御し、真空または水素雰囲気中で五酸化金を炭素で還元する方法です。この方法は 1876 年にはターキン カーバイドを得るために使用されていましたが、生成物の化学量論を制御する能力は限られていました。
TaCx 化合物の結晶構造は立方晶系であり、x 値の変化とともに増加します。
機能と用途
ターキン カーバイドの構造により、非常に硬く脆くなります。微小硬度は約1,600～2,000kg/mm²であり、通常のターキン硬度（約110kg/mm²）と比較して優れています。その導電性と比較的高い超電導転移温度により、ハイエンド用途では特に重要になります。この物質は融点、硬度、熱伝導率が優れていることで知られており、航空機やロケットに最適な材料です。
例えば、Wang らの研究では、メカニカルアロイングと反応性ホットプレス焼結によって SiBCN セラミック基板が合成され、それに TaC が添加されました。ボールミル粉砕後、TaC の粒子は 5 ナノメートルに粉砕され、950 MPa の応力下での基材の破壊靱性が 399.5 MPa に向上しました。従来の基材の 127.9 MPa と比較すると、これは間違いなく大幅な向上です。これは、TaC と SiBCN 酸化物基板の熱膨張係数の違いによるもので、亀裂が粒子を迂回してエネルギーを吸収し、それによって材料の靭性が向上します。
さらに、Wei らは、真空アーク溶解技術を使用して新しい MoNbRe0.5W(TaC)x HEA 基板を合成しました。彼らの結果は、TaCの添加量が多くなると材料の強度も大幅に向上し、TEM照射下でのBCC引張応力とMC相の良好な組み合わせを示し、これが結晶粒径の縮小に役立ち、基材の強度をさらに高めることを示しました。この研究の進歩は、間違いなく高エントロピー合金の応用可能性を前進させるでしょう。
自然の存在形態
天然ターキン炭化物は非常に珍しい鉱物の形で存在し、この鉱物の結晶構造も立方体であり、自然科学における価値を示しています。
全体として、ターキン カーバイドの高い融点とその驚くべき特性の多様性により、材料科学と産業用途で重要な役割を果たすことができます。そのユニークな特性は、現代のテクノロジーの発展に無限の可能性をもたらします。あるいは、ターキンカーバイドの地位に挑戦する新たな材料が将来登場するでしょうか?
