کاربید زیرکونیوم

کاربید زیرکونیوم (ZrC) یک ماده سرامیکی نسوز بسیار سخت است، که به‌صورت تجاری برای ابزارهای برش استفاده می‌شود.

این کار معمولاً با پخت (فرآیند فشرده‌سازی و تشکیل یک جرم جامد از مواد به وسیله گرما یا فشار بدون ذوب‌شدن آن تا حد مایع‌شدن) انجام می‌شود.

خصوصیات و ویژگی‌های کاربید زیرکونیوم:

کاربید زیرکونیوم از نظر ظاهری به صورت پودر فلزی خاکستری با ساختار بلوری مکعبی وجود دارد.

بسیار مقاوم در برابر خوردگی است. این کاربید عضو سرامیک‌های فوق‌العاده با درجه حرارت بالا یا (UHTC) است. با توجه به وجود پیوند فلزی، ZrC دارای هدایت حرارتی 20.5 W/m·K و رسانایی الکتریکی ~43 μΩ·cm که هر دوی این‌ها مشابه فلز زیرکونیوم هستند.

پیوند کووالانسی قوی Zr-C به این ماده نقطه ذوب بسیار بالایی (~3530 °C)، مدول بالا (~440 GPa) و سختی (25 GPa) می‌دهد.

کاربید زیرکونیوم (6.73 g/cm³) در مقایسه با سایر کاربید‌ها مانند کاربید تنگستن (15.8 g/cm³) دارای چگالی پایین می‌باشد.

مانند اکثر کاربیدهای فلزات نسوز، کاربید زیرکونیوم نیز زیر مقدار استوکیومتری است، یعنی دارای جای خالی کربن است.

کاربیدهای فلزی گروه IV_A ،TiC ،ZrC و SiC عملاً نسبت به اسیدهای قوی آبی (HCl) و باز‌های آبی قوی (NaOH) حتی در 100 درجه سانتی‌گراد اکنش نمی‌دهند، با این حال، ZrC با HF واکنش نشان می‌دهد.

مخلوط کاربید زیرکونیوم و کاربید تانتالیم ماده مهم سرمت است.

موارد کاربر کاربید زیرکونیوم:

کاربید زیرکونیوم فاقد هافنیوم و کاربید نیوبیوم را می‌توان به عنوان پوشش‌های نسوز در راکتورهای هسته‌ای استفاده کرد. به دلیل داشتن سطح مقطع جذب نوترون کم و حساسیت ضعیف در برابر تابش، استفاده از آن به عنوان پوشش دی‌اکسید اورانیوم و ذرات دی‌اکسید توریم از سوخت هسته‌ای است. این پوشش معمولاً با ترسیب بخار شیمیایی در یک راکتور با بستر سیال انجام می‌شود.

همچنین از آن به عنوان ساینده، روکش، در مخمر و ابزار برش استفاده می‌شود.

روش‌های تولیـد کاربید زیرکونیوم:

کاربید زیرکونیوم از چند طریق قابل ساخت است.

یک روش واکنش کربوترمیک زیرکونیا توسط گرافیت است. این روش منجر به تولید پودر کاربید زیرکونیـوم می‌شود. ZrC متراکم را می‌توان با پخت‌کردن پودر ZrC در دمای بالاتر از 2000 درجه سانتی‌گراد ساخت.

افزایش فشار ZrC می‌تواند دمای پخت را پایین بیاورد و در نتیجه به تولید ZrC دانه ریز با دانه کاملاً متراکم کمک می‌کند.

روش دیگر ساخت ZrC، ترسیب بخار شیمیایی است.

این کار با گرم‌کردن یک اسفنج زیرکونیوم و تجزیه گاز هالید از طریق آن حاصل می‌شود.

مقاومت ضعیف در برابر اکسیداسیون در دماهای بالای 800 درجه سانتی‌گراد کاربردهای ZrC را محدود می‌کند.

یکی از راه‌های بهبود مقاومت در برابر اکسیداسیون ZrC، ساخت کامپوزیت‌ها آن است. کامپوزیت‌های مهم ارائه شده کامپوزیت ZrC-ZrB2 و ZrC-ZrB2-SiC هستند. این کامپوزیت‌ها می‌توانند تا 1800 درجه سانتی‌گراد کار کنند. روش دیگر برای بهبود این امر، استفاده از ماده دیگری به عنوان لایه مانع مانند ذرات سوخت TRISO است.

منابع:

• https://en.wikipedia.org/wiki/Zirconium_carbide
• https://www.researchgate.net/publication/229653039_Deposition_Mechanism_for_Chemical_Vapor_Deposition_of_Zirconium_Carbide_Coatings
• https://www.mdpi.com/1996-1944/9/7/577
• https://link.springer.com/article/10.1023%2FB%3AJMSC.0000041702.76858.a7

سیدی