Карбид циркония

Карби́д цирко́ния – химическое соединение металла циркония и углерода с формулой ZrC. Представляет собой фазу внедрения с широкой областью гомогенности, которая составляет от 38,4 до 50 ат. % углерода, что отвечает формуле ZrC_0,62 и ZrC_1,0 соответственно^[1].

Карбид циркония
Общие
Систематическое наименование	монокарбид циркония
Традиционные названия	карбид циркония
Хим. формула	ZrC
Рац. формула	ZrC
Физические свойства
Состояние	твёрдое
Молярная масса	103,23 г/моль
Плотность	6,73 г/см³
Термические свойства
Температура
• плавления	3530 °C
• кипения	5100 °C
Теплопроводность	11,6 Вт/(м·K)
Энтальпия
• образования	-196,65 кДж/моль
Классификация
Рег. номер CAS	12070-14-3
PubChem	11159298
Рег. номер EINECS	235-125-1
SMILES	[C].[Zr], [Zr+]#[C-]
InChI	InChI=1S/C.Zr/q-1;+1 MHMXYYDKIQTOHA-UHFFFAOYSA-N
ChemSpider	9334398
Безопасность
NFPA 704	0 0 0
Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное.

Физические свойства

Карбид циркония представляет собой порошок серого цвета. Имеет кубическую гранецентрированную решетку типа NaCl, пространственная группа Fm3m, с периодом а = 0,4693 нм.

• Удельное электрическое сопротивление 50 мкОм∙см
• Коэффициент линейного теплового расширения 7,01∙10^-6 1/K (25-1000 °C)
• Микротвёрдость 28,44 ГПа
• Модуль упругости 412 ГПа^[2]

Получение

Карбид циркония можно получить одним из следующих способов^[3].

• Непосредственным насыщением циркония углеродом:

Процесс ведут в вакууме, а исходные компоненты берут в виде порошков;

• Восстановлением оксида циркония углеродом с последующим образованием карбида:

Процесс идет через образование низших окислов циркония и последующего образования карбида циркония по реакции:

${\displaystyle {\mathsf {ZrO+2C\rightarrow ZrC+CO}}}$

Этот метод применяется для получения технически чистого карбида циркония в промышленных масштабах. Обычно процесс проводят при температуре около 2000 °C;

• Осаждением из газовой фазы:

В основе метода лежит реакция:

${\displaystyle {\mathsf {ZrCl_{4}+CH_{4}+H_{2}\rightleftarrows \ ZrC+4HCl+H_{2}}}}$

Осаждение происходит на поверхности вольфрамовой нити, разогретой до температуры 1700—2400 °C. Проведение процесса при высокой температуре (около 2400 °C) позволяет получить монокристаллический осадок. Метан может быть заменен толуолом, бензолом или ацетиленом.

^[4]

Химические свойства

Карбид циркония является химически стойким соединением при комнатной температуре по отношению к серной, соляной, фосфорной, хлорной, щавелевой кислотам и смесям серной и фосфорной, серной и щавелевой кислот. Не растворяется в 10% и 20% растворах гидроксида натрия. Растворяется в кипящих серной, азотной, хлорной кислотах. Сильно растворяется в царской водке, смесях серной и азотной, азотной и плавиковой кислот^[3]. Начиная с 700 °C, карбид циркония взаимодействует с кислородом с образованием ZrO₂. При высоких температурах, в присутствии азота, образуются карбонитриды циркония.

Применение

Высокая температура плавления и малое поперечное сечение захвата нейтронов карбида циркония позволяет применять его как защитное покрытие на графитовых матрицах в твэлах, содержащих карбиды урана и тория. Покрытие из карбида циркония, нанесенное CVD-процессом на диоксид урана, используется как диффузионный барьер от продуктов реакции полураспада ядерного топлива^[5]. Композит ZrC-UC используют в термоэлектрогенераторах. Также карбид циркония применяется как абразивный материал для полировки металлов^[3].

Примечания

1. Самсонов Г. В. Физическое материаловедение карбидов. — Наукова думка, 1974. — С. 107-109. — 454 с.
2. Самсонов Г. В., Виницкий И. М. Тугоплавкие соединения (справочник). — Металлургия, 1976. — С. 560.
3. Косолапова Т. Я. Карбиды. — Металлургия, 1968. — С. 300.
4. C 233. Современное производство карбида циркония. Галевский Г.В.  (неопр.) Дата обращения: 3 августа 2019. Архивировано из оригинала 15 ноября 2017 года.
5. Effect of Use of Zirconium Carbide Coatings on the VHTR Core Nuclear Design  (неопр.). Дата обращения: 21 апреля 2012. Архивировано из оригинала 16 октября 2011 года.