टैंटलम कार्बाइड

टैंटलम कार्बाइड (TaC) अनुभवजन्य सूत्र TaCx के साथ टैंटलम और कार्बन के दोहरी रासायनिक यौगिकों की एक श्रेणी बनाता है। जहां x सामान्यतः 0.4 और 1 के बीच भिन्न होता है। वे धात्विक विद्युत चालकता के साथ अत्यंत ठोस, भंगुर, दुर्दम्य, सिरेमिक सामग्री होते हैं। वे ब्राउन-ग्रे पाउडर के रूप में दिखाई देते हैं, जिन्हें सामान्यतः तापपुंजन द्वारा संसाधित किया जाता है।

महत्वपूर्ण सर्मेट सामग्री के होने पर, टैंटलम कार्बाइड का व्यावसायिक रूप टूल बिट्स में साधित्र को काटने के लिए उपयोग किया जाता है और कभी-कभी टंगस्टन कार्बाइड मिश्र धातुओं में जोड़ा जाता है।

शुद्धता और माप स्थितियों के आधार पर टैंटलम कार्बाइड के गलनांक पहले लगभग 3,880 °C (4,150 K; 7,020 °F) होने का अनुमान लगाया गया था; यह मान युग्मक यौगिकों के लिए उच्चतम होता है। और केवल टैंटलम हेफ़नियम कार्बाइड का उच्च गलनांक 3,942 °C (4,215 K; 7,128 °F) होने का अनुमान लगाया गया था। चूँकि नए परीक्षणों ने निर्णायक रूप से सिद्ध किया है कि TaC का वास्तव में 3,768 °C का गलनांक होता है और टैंटलम हेफ़नियम कार्बाइड और हेफ़नियम कार्बाइड दोनों का गलनांक अधिक होता है।

निर्मिति
वैक्यूम या अक्रिय-गैस वातावरण (आर्गन) में टैंटलम और ग्रेफाइट पाउडर के मिश्रण को गर्म करके वांछित संरचना के TaCx पाउडर तैयार किए जाते हैं। तापन लगभग 2,000 °C (2,270 K; 3,630 °F) के तापमान पर एक भट्टी या आर्क गलन स्थापित करके उपयोग किया जाता है। वैकल्पिक तकनीक 1,500–1,700 °C (1,770–1,970 K; 2,730–3,090 °F) के तापमान पर निर्वात या हाइड्रोजन वातावरण में कार्बन द्वारा टैंटलम पेंटोक्साइड की  कमी होती है, इस पद्धति का उपयोग 1876 में टैंटलम कार्बाइड प्राप्त करने के लिए किया गया था, किन्तु इसमें उत्पाद के स्टोइकोमेट्री पर नियंत्रण का अभाव है। तत्वों से सीधे TaC का उत्पादन स्व-प्रचारित उच्च तापमान संश्लेषण के माध्यम से सूचित किया जाता है।

क्रिस्टल संरचना
TaCx यौगिकों में x = 0.7-1.0 के लिए एक घनीय (रॉक-नमक) क्रिस्टल संरचना होती है; लैटिस पैरामीटर x के साथ बढ़ता है। TaC0.5 के दो प्रमुख क्रिस्टलीय रूप होते हैं। अधिक मात्रा में एंटी-कैडमियम आयोडाइड-प्रकार की त्रिकोणीय संरचना होती है, जो कार्बन परमाणुओं के लिए दीर्घ दूरी क्रम के साथ हेक्सागोनल लैटिस में लगभग 2,000 डिग्री सेल्सियस तक गर्म होने पर बदल जाती है।

यहाँ Z प्रति यूनिट सेल में सूत्र इकाइयों की संख्या है, ρ लैटिस मापदंडों से गणना का घनत्व होता है।

गुण
टैंटलम कार्बाइड में टैंटलम और कार्बन परमाणुओं के बीच का संबंध आयनिक, धातु और सहसंयोजक योगदान का एक जटिल मिश्रण है, और मजबूत सहसंयोजक घटक के कारण, ये कार्बाइड बहुत कठोर और भंगुर पदार्थ होता हैं उदाहरण के लिए, TaC की सूक्ष्म कठोरता, 1,600–2,000 किग्रा/मिमी2 है (~9 मोह) और 285 GPa का लोचदार मापांक है, जबकि टैंटलम के लिए संबंधित मान 110 किग्रा/मिमी2 और 186 GPa हैं।

टैंटलम कार्बाइड में धात्विक विद्युत चालकता होती है, इसका परिमाण और तापमान निर्भरता दोनों के संदर्भ में होती है। TaC में अतिचालकता होती है जिसका TC = 10.35 K अपेक्षाकृत उच्च संक्रमण तापमान होता है।

TaCx के चुंबकीय गुण x ≤ 0.9 के लिए प्रति-चुंबकीय से बड़े x पर अनुचंबकीय में बदलते हैं। HfCx, के लिए एक व्युत्क्रम व्यवहार (बढ़ते x के साथ पैरा- प्रतिचुंबकीय परिवर्तन) देखा गया है, इसके अतिरिक्त इसमें TaC के समान क्रिस्टल संरचना होती है।

आवेदन
टैंटलम कार्बाइड का व्यापक रूप से अति-उच्च तापमान सिरेमिक (यूएचटीसी) में निसादन योजक के रूप में या उच्च-एन्ट्रॉपी मिश्र धातु (एचईए) में सिरेमिक प्रबलीकरण के रूप में गलनांक बिंदु, दृढता,  प्रत्यास्थता मापांक, ऊष्मीय चालकता, ऊष्मीय शॉक में उत्कृष्ट भौतिक गुणों के कारण उपयोग किया जाता है। प्रतिरोध, और रासायनिक स्थिरता, जो इसे एयरोस्पेस उद्योगों में विमान और रॉकेट के लिए एक वांछनीय पदार्थ बनते है।

वांग एट अल। SiBCN सिरेमिक मैट्रिक्स को TaC के साथ यांत्रिक मिश्रधातु प्लस प्रतिक्रियाशील तप्त दाबन निसादन विधियों द्वारा संश्लेषित किया जाता है, जिसमें बीएन, ग्रेफाइट और TaC पाउडर को बॉल-मिलिंग के साथ मिलाया जाता है और 1,900 डिग्री सेल्सियस (2,170 के; 3,450 डिग्री फारेनहाइट) पर सिंटर किया जाता है, संश्लेषण के लिए, बॉल-मिलिंग प्रक्रिया ने अन्य घटकों के साथ प्रतिक्रिया किए बिना TaC पाउडर को 5 एनएम तक परिष्कृत किया ,जिससे एग्लोमेरेट्स बनाने की अनुमति मिली, जो 100 एनएम-200 एनएम के व्यास के साथ गोलाकार समूहों से बना है। टीईएम विश्लेषण से पता चला है कि TaC मैट्रिक्स के भीतर 10-20 एनएम के आकार के साथ नैनोकणों के रूप में यादृच्छिक रूप से वितरित किया जाता है, या बीएन में 3-5 एनएम के छोटे आकार के साथ वितरित किया जाता है। परिणामस्वरुप, TaC के 10 wt% जोड़ के साथ सम्मिश्र ने मैट्रिक्स की फ्रैक्चर कठोरता में सुधार किया, जो 127.9 एमपीए की तुलना में अपरिवर्तित SiBCN सिरेमिक के 127.9 एमपीए तक पहुंच गया।  यह मुख्य रूप से TaC और SiBCN सिरेमिक मैट्रिक्स के बीच ऊष्मीय विस्तार गुणांकों के बेमेल होने के कारण होता है। चूँकि TaC में  SiBCN मैट्रिक्स की तुलना में ऊष्मीय विस्तार एक बड़ा गुणांक है, TaC कण तन्यता प्रतिबल को टिकाये रखता है, जबकि मैट्रिक्स तनन प्रतिबल को रेडियल दिशा में और संकुचित प्रतिबल को स्पर्शरेखा दिशा में रखता है। यह कणों को उपमार्ग करने के लिए दरारें बनाता है और सख्त होने के लिए कुछ ऊर्जा को अवशोषित करता है। इसके अतिरिक्त, TaC कणों का समान वितरण कण के आकार में कमी के कारण हॉल-पेट संबंध द्वारा समझाए गए उपज प्रतिबल में सहयोग देता है।

वी एट अल। ने निर्वात आर्क गलनांक का उपयोग करते हुए नोवल रिफ्रैक्टरी MoNbRe0.5W(TaC)x HEA मैट्रिक्स को संश्लेषित किया है।  XRD  पैटर्न से पता चला है कि परिणामी सामग्री मुख्य रूप से आधार मिश्र धातु MoNbRe0.5W में एक एकल बीसीसी क्रिस्टल संरचना से बना है और एक बहु-घटक (एमसी) प्रकार कार्बाइड (एनबी, टा, मो, डब्ल्यू) सी एक लैमेलर गलनक्रांतिक संरचना बनाने के लिए TaC जोड़ के आनुपातिक MC चरण की मात्रा के साथ होता है। TEM विश्लेषण से पता चला है कि BCC और  MC चरण के बीच लैमेलर इंटरफ़ेस एक समतल और आनुपातिक आकृति विज्ञान प्रस्तुत करता है जो बिना लैटेस अनुपयुक्त अव्यवस्था के साथ अच्छी श्लेषण प्रदर्शित करता है। परिणाम स्वरुप,  रेणु आमाप TaC के बढ़ने के साथ घटता है जो हॉल-पेट संबंध द्वारा समझाया गया उपज प्रतिबल में सुधार करता है। लैमेलर संरचना का निर्माण इसलिए होता है क्योंकि ऊंचे तापमान पर, MoNbRe0.5W(TaC)x सम्मिश्र में अपघटन प्रतिक्रिया होती है: (Mo, Nb, W, Ta)2C → (Mo, Nb, W, Ta) + (Mo, Nb, W, Ta)C  जिसमें Re दोनों घटकों में भंग किया जाता है ताकि निम्नलिखित में BCC चरण पहले और MC चरण को न्यूक्लियेट किया जा सके चरण आरेखों के अनुसार। इसके अतिरिक्त, बीसीसी चरण की तुलना में MC चरण अपनी शृंखला और अधिक प्रत्यास्थ गुणधर्म के कारण संमिश्रित की क्षमता में भी सुधार करता है।

वू एट अल। 1,683 K (1,410 °C; 2,570 °F) पर गुलिका पेषण और  निसादन के साथ TaC जोड़ के साथ Ti(C, N)-आधारित सर्मेट को भी संश्लेषित किया है। टीईएम विश्लेषण से पता चला है कि TaC कार्बनिट्राइड चरण के विघटन में मदद करता है और TaC-बाइंडर चरण में परिवर्तित हो जाता है। परिणामस्वरूप "ब्लैक-कोर-व्हाइट रिम" संरचना का निर्माण होता है जिसमें 3-5 wt% TaC जोड़ के क्षेत्र में कण का आकार घटता है और ट्रांसवर्स रप्चर स्ट्रेंथ (TRS) बढ़ता है। 0-3 wt% TaC क्षेत्र ने TRS में कमी दिखाई क्योंकि TaC जोड़ बाइंडर और कार्बोनाइट्राइड चरण के बीच वेटेबिलिटी को कम करता है और छिद्र बनाता है। आगे 5 wt% से अधिक TaC जोड़ने से भी TRS घट जाता है क्योंकि सिंटरन संयंत्र और सरंध्रता के समय TaC ढेर हो जाता है। सबसे अच्छा टीआरएस 5wt% जोड़ पर पाया जाता है जहां कम कण की सीमा स्खलन के लिए महीन कण और सजातीय सूक्ष्म संरचना प्राप्त की जाती है।

प्राकृतिक घटना
टैंटलकार्बाइड टैंटलम कार्बाइड का एक प्राकृतिक रूप है। यह घनाकार, अत्यंत दुर्लभ खनिज है।

यह भी देखें

 * टैंटलम हेफ़नियम कार्बाइड
 * हेफ़नियम कार्बाइड
 * हेफ़नियम कार्बोनाइट्राइड