Los carburos de tantalio (TaC) forman una familia de compuestos químicos binarios de tantalio y carbono con la fórmula empírica TaC x , donde x suele variar entre 0,4 y 1. Son materiales cerámicos extremadamente duros , frágiles, refractarios y con conductividad eléctrica metálica . Se presentan como polvos de color marrón grisáceo, que suelen procesarse mediante sinterización .
Al ser materiales cermet importantes , los carburos de tantalio se utilizan comercialmente en brocas para aplicaciones de corte y, a veces, se agregan a aleaciones de carburo de tungsteno . [5]
Anteriormente se había estimado que el punto de fusión de los carburos de tantalio era de aproximadamente 3880 °C (4150 K; 7020 °F) dependiendo de la pureza y las condiciones de medición; este valor está entre los más altos para compuestos binarios. [6] [7] Y solo se estimó que el carburo de tantalio y hafnio tenía un punto de fusión más alto de 3942 °C (4215 K; 7128 °F). [8] Sin embargo, nuevas pruebas han demostrado de manera concluyente que el TaC en realidad tiene un punto de fusión de 3768 °C y que tanto el carburo de tantalio y hafnio como el carburo de hafnio tienen puntos de fusión más altos. [9]
Los polvos de TaC x de la composición deseada se preparan calentando una mezcla de polvos de tántalo y grafito en vacío o en una atmósfera de gas inerte ( argón ). El calentamiento se realiza a una temperatura de aproximadamente 2000 °C (2270 K; 3630 °F) utilizando un horno o una configuración de fusión por arco. [10] [11] Una técnica alternativa es la reducción del pentóxido de tántalo con carbono en vacío o en una atmósfera de hidrógeno a una temperatura de 1500–1700 °C (1770–1970 K; 2730–3090 °F). Este método se utilizó para obtener carburo de tántalo en 1876, [12] pero carece de control sobre la estequiometría del producto. [7] Se ha informado de la producción de TaC directamente a partir de los elementos a través de la síntesis autopropagante de alta temperatura . [13]
Los compuestos de TaC x tienen una estructura cristalina cúbica (de sal de roca) para x = 0,7–1,0; [14] el parámetro de red aumenta con x . [15] TaC 0,5 tiene dos formas cristalinas principales. La más estable tiene una estructura trigonal de tipo anti- yoduro de cadmio , que se transforma al calentarse a unos 2000 °C en una red hexagonal sin orden de largo alcance para los átomos de carbono. [10]
Aquí Z es el número de unidades de fórmula por celda unitaria, ρ es la densidad calculada a partir de los parámetros de red.
La unión entre los átomos de tántalo y carbono en los carburos de tántalo es una mezcla compleja de contribuciones iónicas, metálicas y covalentes y, debido al fuerte componente covalente, estos carburos son materiales muy duros y frágiles. Por ejemplo, el TaC tiene una microdureza de 1600–2000 kg/mm2 [ 18] (~9 Mohs ) y un módulo elástico de 285 GPa, mientras que los valores correspondientes para el tántalo son 110 kg/mm2 y 186 GPa. [19]
Los carburos de tantalio tienen conductividad eléctrica metálica, tanto en términos de su magnitud como de dependencia de la temperatura. TaC es un superconductor con una temperatura de transición relativamente alta de T C = 10,35 K. [15]
Las propiedades magnéticas de TaC x cambian de diamagnéticas para x ≤ 0,9 a paramagnéticas para valores mayores de x . Se observa un comportamiento inverso (transición para-diamagnética con valores mayores de x ) para HfC x , a pesar de que tiene la misma estructura cristalina que TaC x . [20]
El carburo de tantalio se utiliza ampliamente como aditivo de sinterización en cerámicas de temperatura ultra alta (UHTC) o como refuerzo cerámico en aleaciones de alta entropía (HEA) debido a sus excelentes propiedades físicas en punto de fusión, dureza, módulo elástico, conductividad térmica, resistencia al choque térmico y estabilidad química, lo que lo convierte en un material deseable para aviones y cohetes en las industrias aeroespaciales.
Wang et al. han sintetizado una matriz cerámica de SiBCN con adición de TaC mediante métodos de sinterización por aleación mecánica más prensado reactivo en caliente, en los que se mezclaron polvos de BN, grafito y TaC con molienda de bolas y se sinterizaron a 1.900 °C (2.170 K; 3.450 °F) para obtener compuestos de SiBCN-TaC. Para la síntesis, el proceso de molienda de bolas refinó los polvos de TaC hasta 5 nm sin reaccionar con otros componentes, lo que permitió formar aglomerados que se componen de cúmulos esféricos con un diámetro de 100 nm-200 nm. El análisis TEM mostró que el TaC se distribuye aleatoriamente en forma de nanopartículas con tamaños de 10-20 nm dentro de la matriz o se distribuye en BN con un tamaño más pequeño de 3-5 nm. Como resultado, el compuesto con 10% en peso de adición de TaC mejoró la tenacidad a la fractura de la matriz, alcanzando 399,5 MPa en comparación con 127,9 MPa de la cerámica SiBCN prístina. Esto se debe principalmente al desajuste de los coeficientes de expansión térmica entre TaC y la matriz cerámica SiBCN. Dado que TaC tiene un coeficiente de expansión térmica mayor que el de la matriz SiBCN, las partículas de TaC soportan la tensión de tracción mientras que la matriz soporta la tensión de tracción en dirección radial y la tensión de compresión en dirección tangencial. Esto hace que las grietas pasen por alto las partículas y absorban algo de energía para lograr el endurecimiento. Además, la distribución uniforme de las partículas de TaC contribuye a la tensión de fluencia explicada por la relación Hall-Petch debido a una disminución en el tamaño de grano. [21]
Wei et al. han sintetizado una nueva matriz refractaria de HEA MoNbRe0.5W(TaC)x mediante fusión por arco al vacío. Los patrones de XRD mostraron que el material resultante está compuesto principalmente de una única estructura cristalina BCC en la aleación base MoNbRe0.5W y un carburo de tipo multicomponente (MC) de (Nb, Ta, Mo, W)C para formar una estructura eutéctica laminar, con la cantidad de fase MC proporcional a la adición de TaC. El análisis TEM mostró que la interfaz laminar entre BCC y la fase MC presenta una morfología suave y curvada que exhibe una buena unión sin dislocaciones de desajuste de la red. Como resultado, el tamaño de grano disminuye con el aumento de la adición de TaC, lo que mejora la tensión de fluencia explicada por la relación Hall-Petch. La formación de la estructura laminar se debe a que a temperatura elevada, la reacción de descomposición ocurre en los compuestos MoNbRe0.5W(TaC)x: (Mo, Nb, W, Ta)2C → (Mo, Nb, W, Ta) + (Mo, Nb, W, Ta)C en el que Re se disuelve en ambos componentes para nuclear la fase BCC primero y la fase MC en la siguiente, de acuerdo con los diagramas de fases. [22] Además, la fase MC también mejora la resistencia de los compuestos, debido a su propiedad más rígida y elástica en comparación con la fase BCC. [23]
Wu et al. también han sintetizado cermets basados en Ti(C, N) con adición de TaC mediante molienda de bolas y sinterización a 1683 K (1410 °C; 2570 °F). El análisis TEM mostró que el TaC ayuda a la disolución de la fase carbonitruro y se convierte en la fase aglutinante-TaC. El resultado es una formación de una estructura de “núcleo negro-borde blanco” con un tamaño de grano decreciente en la región de 3-5 % en peso de adición de TaC y un aumento de la resistencia a la ruptura transversal (TRS). La región de 0-3 % en peso de TaC mostró una disminución en la TRS porque la adición de TaC disminuye la humectabilidad entre el aglutinante y la fase carbonitruro y crea poros. La adición adicional de TaC más allá del 5 % en peso también disminuye la TRS porque el TaC se aglomera durante la sinterización y se forma nuevamente porosidad. La mejor TRS se encuentra en la adición del 5 % en peso, donde se logran granos finos y una microestructura homogénea para un menor deslizamiento de los límites de grano. [24]
El carburo de tantalio es una forma natural del carburo de tantalio. Es un mineral cúbico extremadamente raro. [25]