Физики определили самое тугоплавкое вещество
Дендритная структура, возникшая в месте плавления карбида тантала-гафния
Omar Cedillos-Barraza et al. / Scientific Reports, 2016
Физики из Имперского колледжа Лондона, Института трансурановых элементов (Карлсруэ) и Университета Лондона уточнили температуры плавления карбидов гафния и тантала. С помощью лазерных методов плавки ученые показали, что наибольшей температурой плавления обладает чистый карбид гафния — HfC0,98 — материал плавится при 3959 ±84 градусах Цельсия. Ранее считалось, что самым тугоплавким материалом из известных является смешанный карбид гафния-тантала, содержащий примерно 20 процентов гафния. Исследование опубликовано в журнале Scientific Reports, кратко о нем сообщает пресс-релиз колледжа.
Исследования температуры плавления карбидов гафния и тантала датируются еще первой половиной XX века. Для этого использовался метод Пирани-Алтертума: с помощью электрического тока нагревалась пластинка материала с отверстием в центре. За пластинкой следили с помощью пирометра. В момент плавления отверстие оказывалось заполнено материалом и изменяло свое свечение. Разброс температур плавления, определенных этим методом для карбида гафния составил почти двести градусов, и по результатам измерений трудно было однозначно определить, какой из карбидов гафния и тантала является самым тугоплавким.
Образцы карбидов после плавления лазером. Слева-направо: кабрид тантала, карбид тантала-гафния, карбид гафния
Omar Cedillos-Barraza et al. / Scientific Reports, 2016
Авторы новой работы, отметив несовершенство ранних пирометров и методик, предложили использовать новый подход для определения температуры плавления. В ней образец керамики плавился под действием мощного 4,5-киловаттного лазера, после чего исследователи следили за его свечением. Момент плавления определялся по изменению отражения от поверхности. После этого лазер отключался, а температура плавления определялась по плато на графике остывания образца: в момент затвердевания отводимая от образца теплота не меняет его температуры.
Слева: кривая температурной зависимости карбида гафния (черная) и производная сигнала отраженного света. Справа: температурные кривые для карбида тантала, гафния и тантала-гафния.
Omar Cedillos-Barraza et al. / Scientific Reports, 2016
В результате оказалось, что наименьшей температурой плавления обладает карбид тантала — она соответствует 3768 ± 77 градусам Цельсия. Интересно, что в некоторых ранних работах карбид тантала наоборот считался более тугоплавким, чем карбид гафния. Высокими температурами плавления обладал состав Ta0.8Hf0.2C, ранее считавшийся рекордсменом — порядка 3905 ± 82 градусов Цельсия. Остальные смешанные карбиды плавились при более низких температурах. Абсолютным рекордсменом, по данным новой работы, стал карбид гафния HfC0,98, материал плавится при 3959 ±84 градусах Цельсия. Для сравнения, самым тугоплавким металлом является вольфрам, плавящийся при 3422 градусах Цельсия.
Считается, что карбидные керамики могут найти применение при строительстве гиперзвуковых самолетов. При движении в атмосфере на скорости свыше пяти чисел Маха теплозащита должна выдерживать температуры в 2200 кельвин и выше.
Ранее химики из Университета Брауна (Провиденс) теоретически предсказали существование фазы смешанного карбида-нитрида гафния с рекордно высокой температурой плавления — свыше 4400 кельвин. Ее состав отвечает формуле HfN0.38C0.51.
Источник
Вольфрам – самый тугоплавкий металл в мире. Способы добычи, свойства и характеристики вольфрама
Вольфрам — это тугоплавкий материал с высокой температурой плавления. Для некоторых сфер производства используется только этот металл, поэтому он высоко ценится горняками.
История
Люди занимаются обработкой металла несколько тысячелетий, но работать с тугоплавкими металлами начали лишь в XIX веке. Шведский химик обнаружил это вещество при работе с вольфрамитом. Вольфрам периодически встречался в разных видах руд, он мешал их переплавлению.
Первое упоминание зарегистрировано в 1781 году, когда ученый работал с шеелитом. Он обрабатывал материал кислотой и в результате обнаружил новый элемент. Через 2 года после этого другие ученые создали из него новый вид металла.
Характеристика
Тугоплавкие материалы переходят из твердого состояния в жидкое при высоких критических температурах. Этот материал плавится при температуре 3410 °C.
Вольфрам экологичен, имеет высокую степень прочности. Он устойчив к сильным нагрузкам даже после нагревания, благодаря чему используется в промышленности. Недостатков у металла не так много, но они существенные:
- Хладноломкость. Под давлением материал не так легко обрабатывать, он быстро переходит из вязкого состояния в хрупкое, из-за чего возникают трудности.
- Восприимчивость к кислотам. Чтобы при температуре свыше 1000 °C не начиналось окисление, на материал наносят гальваническое покрытие.
Помимо перечисленного, у металла наблюдается еще и повышенная плотность, из-за этого он подходит не для каждой отрасли производства.
В чистом виде материал почти не используется, он чаще выступает легирующей основой в сплавах с никелем, железом. Элементы добавляют для изменения физических свойств металла. С их помощью сплав станет более надежным, прочным и устойчивым к коррозии. В таких случаях вольфрама содержится не более 75%.
Тугоплавкость и твердость позволяют использовать металл в оружейной сфере для создания боеголовок, оружия, ракет, снарядов, а также в электроснабжении. Периодически металл используют для создания псевдосплавов. В них вольфрам не обладает легирующими свойствами, он просто наполняется медью или серебром. Образованная разница в температуре плавления обеспечивает лучшие электропроводные свойства.
Добыча и месторождения
В промышленных целях металл получают во время добычи руды, если ее предварительно обогащают. Во время этого процесса происходит флотация, дробление и шлифовка. Из полученного концентрата выделяют триоксид окиси, который восстанавливают до металла с помощью водорода и температурного воздействия.
Для получения материала используют 2 способа:
- Метод порошковой металлургии. Процесс протекает в несколько этапов. Сначала подготавливается порошок из чистого металла, сплава или сложного соединения, затем происходит прессование в специальных формах, а на финальном этапе начинается химическая обработка, благодаря которой вольфрам получает свои физические и химические свойства. Метод позволяет равномерно вводить присадок, что является его основным достоинством.
- Плавка в электронно-духовых печах. Во время этого процесса металлический порошок или вольфрамовая нить полностью расплавляются в пучок электронов. Для этого используется вакуумная камера, в которой исключается окисление, а также используемые в сплаве реактивные материалы не ставят под угрозу безопасность процесса. Наличие вакуума исключает сталкивание молекул газа электронов. Благодаря этому оборудованию удастся получать большие заготовки металла, вес каждой из них достигает 3 тонн.
В природных условиях вольфрам встречается только в окисленных отложениях. Образуется материал из трехокиси с железом, кальцием, марганцем. Во время анализа состава иногда встречается медь, свинец и другие редкие элементы. Минералы обнаруживают в горных породах, они выглядят как мелкие вкрапления. Тяжелого металла в них содержится до 2%.
Самые крупные запасы обнаружены в США, Китае, Канаде, Казахстане. В России и Португалии тоже есть месторождения. Ежегодно в мире производится 50 тонн вольфрама. В чистом виде он почти не используется из-за своей редкости.
Применение
После открытия тугоплавкие материалы использовали только для транзисторов электроники и конденсаторов. Сфера применения расширилась только в середине XX века. В то время такие металлы стали использовать еще для изготовления станков, ракет, автомобилей, при самолетостроении.
Вольфрам считается самым тугоплавким материалом из всей категории, но его сфера применения ограничена из-за хладноломкости. То есть, делать из этого материала выдержит высокие нагрузки, но если она упадет с большой высоты, то моментально раскрошится на части.
Перечислим основные отрасли, где применяют металл:
- Благодаря пластичности из него выполняют нити накаливания для освещения, их ставят в кинескопы или вакуумные трубки.
- Подходит в качестве электрода во время аргонно-дуговой сварки.
- Выступает основой тяжелых сплавов. Из них делают противовесы, снаряды для оружия, пули и детали для ракет.
- Сплавы подходят для создания медицинских инструментов, танковой брони, деталей двигателей, защитных контейнеров для опасных веществ.
- Является нагревательным элементом в вакуумных печах сопротивления.
- Благодаря высокой плотности используется для защиты от излучения ионов. Выполненные из вольфрама детали более дешевые и эффективные, если сравнивать материал со свинцом.
- Для обработки металлоконструкций или в отрасли машиностроения используются материалы с карбидом вольфрама.
- В ядерной физике вольфроматы кальция или свинца применяют в качестве детекторов рентгеновского излучения.
Сплавы на основе вольфрама используются для бурения скважин, создания высокотемпературной смазки, с их помощью создают преобразователи, которые делают из тепла электричество. В промышленности на основе тугоплавкого материала выпускают электроды, проволоку, порошок, листы. Материал не имеет аналогов, поэтому вся выполненная из него продукция отличается уникальными физическими и химическими свойствами.
Источник
Ученые создали самый тугоплавкий материал
ТАСС, 19 мая. Ученые синтезировали керамический материал с температурой плавления более 4 тыс. °С. Это делает его самым тугоплавким из известных науке материалов, пишет пресс-служба НИТУ «МИСиС».
Подобный материал, как пишет пресс-служба, можно использовать при изготовлении носовых обтекателей ракет и тех частей реактивных двигателей и крыльев самолетов, на которые ложатся особенно сложные тепловые и механические нагрузки. Это особенно важно при разработке космических кораблей и систем, которые могут многократно летать в космос и садиться на Землю.
«При выходе и повторном входе в атмосферу на поверхности и кромке крыльев воздушно-космических кораблей могут наблюдаться температуры порядка 2–4 тыс. °С. Поэтому возник вопрос о разработке новых материалов, способных работать при столь высоких температурах», – сказал один из авторов работы, сотрудник НИТУ «МИСиС» Дмитрий Московских.
Московских и его коллеги сделали большой шаг в сторону решения этой проблемы. Тугоплавкость материала, который они создали, превосходит все известные соединения такого рода, а также другие известные вещества. При этом он отличается высокой механической прочностью.
Материал представляет собой соединение гафния с углеродом и азотом. Его существование еще в 2015 году предсказали американские химики из Брауновского университета. Их расчеты указали, что тугоплавкость этого материала должна достигать 4415 кельвинов, превосходя в этом отношении карбид тантала-гафния(TaHfC).
Новые рекорды тугоплавкости
Российские исследователи и их коллеги из Университета Нотр-Дам (США) проверили это предсказание на практике. Они придумали, как получать большие количества этого соединения, чтобы можно было оценить его тугоплавкость и механические свойства.
Для этого ученые перемололи в специальной мельнице порошки из гафния и углерода, после чего поставили получившуюся смесь в специальную печь, которая была заполнена чистым азотом. Вставив в порошок электроды из вольфрама и пропустив через них ток, материаловеды запустили реакцию образования карбонитрида гафния, поддерживая четко выверенную температуру и давление внутри печи.
Просветив полученный порошок рентгеновским илучением, химики убедились в том, что они получили чистый карбонитрид гафния (HfCN), механические свойства которого совпадали с тем, что предсказывали теоретики в 2015 году. После этого Московских и его коллеги сравнили созданный ими материал с еще одним тугоплавким веществом, карбидом гафния (HfC).
Для этого ученые спрессовали порошок из того и другого вещества в тонкий лист и поместили их внутрь графитовых пластин, подключенных к мощному источнику тока. Эти опыты показали, что новый материал был более тугоплавок, чем его предшественник. Однако точную температуру его плавления ученые измерить не смогли. Пока можно только сказать, что она больше 4 тыс. °С (4273 кельвинов).
В дальнейшем, как отмечают ученые, они планируют измерить точную температуру плавления этого материала с помощью методов высокотемпературной пирометрии. Вдобавок они хотят проверить, как карбонитрид гафния ведет себя в гиперзвуковых условиях. Это важно для в аэрокосмической промышленности.
Источник
Самый тугоплавкий в мире материал
Используя мощные компьютерные модели, исследователи из Университета Брауна определили материал с температурой плавления выше, чем у любого из известных веществ. Расчеты показывают, что материал, изготовленный из гафния, азота и углерода будет иметь температуру плавления более чем 4400 К. Это примерно две трети от температуры на поверхности Солнца и на 200 К выше, чем самая высокая точка плавления из когда-либо зарегистрированных в ходе эксперимента.
Раньше было экспериментально подтверждено, что рекордной температурой плавления обладает вещество из элементов гафния, тантала, и углерода (HF-Та-C).Расчеты, представленные в журнале Physical Review B, показали, что материал, изготовленный с определенным составом из гафния, азота и углерода (HF-N-C) будет иметь температуру плавления более 4400 К, что на 200 К выше, чем экспериментальный результат. Проведенные расчеты показывают, что оптимальный состав материала из гафния, азота и углерода — HfN0.38C0.51. Следующим шагом исследователей станет синтез материала для подтверждения выводов лаборатории.
«Преимуществом вычислительного подхода является то, что можно с небольшими затратами посмотреть много различных комбинаций и найти те, которые стоят эксперимента в лаборатории,» — сказал Аксель ван де Валле, соавтор исследования.
Исследователи использовали вычислительный метод, при котором температура плавления рассчитывается путем моделирования физических процессов на атомном уровне, следуя закону квантовой механики. Динамика плавления изучается на наноуровне, в блоках около 100 атомов. Исследователи начали с анализа материала HF-Та-C, для которого точка плавления уже определена экспериментально. Моделирование смогло прояснить некоторые из факторов, которые вносят вклад в способность материала выдерживать тепло.
Работа показала, что в HF-Та-С сочетается высокая теплота плавления (энергия выделяется или поглощается, когда он переходит из твердого состояния в жидкое) с небольшой разницей между энтропией твердой и жидкой фаз.
Затем исследователи использовали эти выводы для поиска соединений, которые могут максимально соответствовать таким требованиям. Они обнаружили, что соединение гафния, азота и углерода будет иметь аналогичную высокую температуру плавления, но меньшую разницу между энтропией твердого вещества и жидкости. Когда они рассчитали точку плавления, она получилась на 200 К выше, чем получена в эксперименте для HF-Та-C.
Температуры плавления Та-HF-C-N сплавов. Закрашенные кружки обозначают рассчитанные температуры плавления в системах HF-C и Hf-C-N, а незакрашенные кружки показывают данные для системы Та-HF-C для сравнения.
Работа в конечном итоге может указать на новые высококачественные материалы для различных применений, от покрытий для газовых турбин до деталей высокоскоростных самолетов. Станет или нет этим новым материалом HfN0.38C0.51 пока не ясно, говорят исследователи.
Источник