Carburo di zirconio
Il carburo di zirconio (ZrC) è un materiale ceramico refrattario estremamente duro[6], commercialmente utilizzato nelle punte per utensili da taglio. Di solito viene elaborato mediante sinterizzazione.
| Carburo di zirconio | |
|---|---|
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| Nomi alternativi | |
| Carburo di zirconio(I) | |
| Caratteristiche generali | |
| Formula bruta o molecolare | ZrC |
| Aspetto | solido grigio |
| Numero CAS | |
| Numero EINECS | 235-125-1 |
| PubChem | 11159298 |
| SMILES | [C].[Zr] e [Zr+]#[C-] |
| Proprietà chimico-fisiche | |
| Densità (g/l, in c.s.) | 6730 (24 °C)[1] |
| Temperatura di fusione | 3532-3540 °C[1] |
| Temperatura di ebollizione | 5100 °C[2] |
| Proprietà termochimiche | |
| ΔfH0 (kJ·mol−1) | −207[3] −196.65[4] |
| S0m(J·K−1mol−1) | 33,14[4] |
| C0p,m(J·K−1mol−1) | 37,442[4] |
| Indicazioni di sicurezza | |
| Frasi H | 228 - 302 - 312 - 332 [5] |
| Consigli P | 210 - 280 [5] |
Proprietà
modifica| Coefficienti di dilatazione termica del ZrC[2] | |
|---|---|
| T | αV |
| 100 °C | 0,141 |
| 200 °C | 0,326 |
| 400 °C | 0,711 |
| 800 °C | 1,509 |
| 1200 °C | 2,344 |
Ha l'aspetto di una polvere metallica grigia con struttura cristallina cubica con costante di reticolo a = 4,6974 Å ed è altamente resistente alla corrosione. Ha simbolo di Pearson cF8[7] e possiede gruppo spaziale Fm3m (gruppo n° 225)[7]. Questo carburo di metallo di transizione interstiziale del gruppo IV è anche un membro delle ceramiche ultra refrattarie (UHTC). A causa della presenza di legami metallici, il carburo di zirconio ha una conducibilità termica di 20,5 W/m•K e una conduttività elettrica (resistività ~43 μΩ•cm), entrambe simili a quella del metallo zirconio. Il forte legame covalente Zr-C conferisce a questo materiale un punto di fusione molto elevato (~3530 °C), un modulo di elasticità elevato (~440 GPa) e una altrettanto elevata durezza (25 GPa). Il carburo di zirconio ha densità inferiore (6,73 g/cm3) rispetto ad altri carburi come il carburo di tungsteno (WC) (15,8 g/cm3), il carburo di tantalio (TaC) (14,5 g/cm3) o il carburo di afnio (HfC) (12,67 g/cm3). Il carburo di zirconio sembra adatto per l'uso in veicoli di rientro, motori a razzo/scramjet o veicoli supersonici in cui le capacità di carico a bassa densità e ad alte temperature sono requisiti essenziali.[senza fonte]
Come la maggior parte dei carburi dei metalli refrattari, il carburo di zirconio è sub-stechiometrico, cioè contiene vacanze di carbonio. A contenuti di carbonio superiori a circa ZrC0,98 il materiale contiene carbonio libero[3]. Il carburo di zirconio è stabile per un rapporto carbonio-metallo compreso tra 0,65 e 0,98.
I carburi metallici del gruppo IVA, il carburo di titanio (TiC), il carburo di zirconio e il carburo di silicio (SiC) sono praticamente inerti all'attacco di acidi forti acquosi (come l'acido cloridrico - HCl) e basi forti acquose (come l'idrossido di sodio - NaOH) anche a 100'C, tuttavia il carburo di zirconio reagisce con acido fluoridrico (HF).
La miscela di carburo di zirconio e carburo di tantalio è un importante materiale cermet.[senza fonte]
Usi
modificaIl carburo di zirconio e il carburo di niobio privi di afnio possono essere utilizzati come rivestimenti refrattari nei reattori nucleari. A causa di una bassa sezione d'urto di assorbimento dei neutroni e della debole sensibilità ai danni sotto irraggiamento, trova impiego come rivestimento di particelle di diossido di uranio (UO2) e diossido di torio (ThO2) del combustibile nucleare. Il rivestimento viene solitamente depositato mediante deposizione chimica da vapore in un reattore con letto fluidizzato. Ha anche un'elevata emissività e un'elevata capacità di corrente a temperature elevate, il che lo rende un materiale promettente per l'uso in radiatori termo-fotovoltaici e per punte e array di emettitori di campo.
Produzione
modificaIl carburo di zirconio può essere fabbricato in diversi modi. Un metodo è la reazione carbotermica della zirconia mediante grafite e ciò si traduce in una polvere. Il carburo di zirconio densificato può quindi essere prodotto sinterizzando la polvere di carburo di zirconio a una temperatura superiore ai 2000 °C. La pressatura a caldo del carburo di zirconio può abbassare la temperatura di sinterizzazione e di conseguenza aiuta a produrre carburo di zirconio a grana fine completamente densificata. La sinterizzazione con plasma a scintilla è stata utilizzata anche per produrre carburo di zirconio completamente densificato[8]
Il carburo di zirconio può anche essere fabbricato mediante lavorazione basata su soluzione[9]. Ciò si ottiene facendo rifluire un ossido metallico con acetilacetone.
Un altro metodo di fabbricazione è la deposizione chimica da vapore[10]. Ciò si ottiene riscaldando una spugna di zirconio e analizzando il gas alogenuro attraverso di essa.
La scarsa resistenza all'ossidazione oltre gli 800 °C limita le applicazioni del carburo di zirconio. Un modo per migliorare la resistenza all'ossidazione del carburo di zirconio è realizzare compositi. Importanti compositi proposti sono il composito ZrC-ZrB2 e ZrC-ZrB2-SiC. Questi compositi possono funzionare fino a 1800 °C. Un altro metodo per migliorare questo processo è utilizzare un altro materiale come strato barriera come nelle particelle di carburante TRISO.
Note
modifica- ^ a b (EN) Lide David R., CRC Handbook of Chemistry and Physics, 90ª ed., Boca Raton (Florida, USA), CRC Press, 2009, ISBN 978-1-4200-9084-0.
- ^ a b (EN) Dale L. Perry, Handbook of Inorganic Compounds, 2ª ed., CRC Press, 2011, p. 472, ISBN 978-14-39-81461-1.
- ^ a b (EN) F.B. Baker, E.K. Storms e C.E. Holley, Enthalpy of formation of zirconium carbide, in Journal of Chemical & Engineering Data, vol. 14, n. 2, 1969, p. 244, DOI:10.1021/je60041a034.
- ^ a b c (EN) Zirconium carbide, su webbook.nist.gov. URL consultato il 28 dicembre 2021.
- ^ a b Sigma-Aldrich Co., Zirconium(IV) carbide.
- ^ (EN) Schwab, G.M. e Krebs, A., Measurement and theory of the hardness of transition- metal carbides , especially tantalum carbide, in Phys.-Chem. Inst., vol. 19, n. 2, Monaco, Univ. Muenchen, 1971, pp. 91-110.
- ^ a b (EN) C.P. Kempter e R.J. Fries, Crystallographic Data. 189. Zirconium Carbide, in Analytical Chemistry, vol. 32, n. 4, 1960, p. 570, DOI:10.1021/ac60160a042.
- ^ (EN) Xialu Wei, Christina Back, Oleg Izhvanov, Christopher Haines e Eugene Olevsky, Zirconium Carbide Produced by Spark Plasma Sintering and Hot Pressing: Densification Kinetics, Grain Growth, and Thermal Properties, in Materials, vol. 9, n. 7, 2016, p. 577, DOI:10.3390/ma9070577.
- ^ (EN) Michael D. Sacks, Chang-An Wang, Zhaohui Yang e Anubhav Jain, Carbothermal reduction synthesis of nanocrystalline zirconium carbide and hafnium carbide powders using solution-derived precursors, in Journal of Materials Science, vol. 39, n. 19, 2004, pp. 6057–6066, DOI:10.1023/B:JMSC.0000041702.76858.a7.
- ^ (EN) Yiguang Wang, Qiaomu Liu, Jinling Liu, Litong Zhang e Laifei Cheng, Deposition Mechanism for Chemical Vapor Deposition of Zirconium Carbide Coatings, in Journal of the American Ceramic Society, vol. 91, n. 4, gennaio 2008, pp. 1249-1252, DOI:10.1111/j.1551-2916.2007.02253.x. URL consultato il 27 dicembre 2021.
