Вольфрам отличается от всех остальных металлов особой тяжестью, твердостью и тугоплавкостью. Плотность вольфрама почти вдвое больше, чем свинца, точнее — в 1,7 раза. По тугоплавкости и твердости вольфрам и его сплавы занимают высшие места среди металлов. Технически чистый вольфрам плавится при 3380°С, а кипит лишь при 5900°С. Такая температура — на поверхности Солнца!
А выглядит «король тугоплавкости» довольно заурядно. Цвет вольфрама в значительной мере зависит от способа получения.
Сплавленный вольфрам — блестящий серый металл, больше всего напоминающий платину. Вольфрамовый порошок — серый, темно-серый и даже черный.
Почти со всеми металлами вольфрам образует сплавы. Из всех сплавов вольфрама наибольшее значение приобрели вольфрам-содержащие стали.
Вольфрамовые стали идут на производство танковой брони, оболочек торпед и снарядов, наиболее важных деталей самолетов и двигателей.
Инструмент, изготовленный из вольфрамовой стали, выдерживает огромные скорости самых интенсивных процессов металлообработки. Скорость резания таким инструментом измеряется десятками метров в секунду.
В начале ХХ века вольфрамовую нить стали применять в электрических лампочках: она позволяет доводить накал до 2200°С. В этом качестве вольфрам совершенно незаменим и сегодня. Это объясняется двумя свойствами: его тугоплавкостью и пластичностью. Из одного килограмма вольфрама вытягивается проволока длиной 3,5 км, которой достаточно для изготовления нитей накаливания 23 тысяч 60-ваттных лампочек.
Вольфра м (лат. Wolframium), W, химический элемент VI группы периодической системы Менделеева, порядковый номер 74, атомная масса 183,85.
Природный вольфрам состоит из смеси пяти стабильных изотопов с массовыми числами 180, 182, 183, 184 и 186. Вольфрам был открыт и выделен в виде вольфрамового ангидрида WO 3 в 1781 году шведским химиком К. Шееле из минерала тунгстена, позднее назван шеелитом.
В 1783 году испанские химики братья д’ Элуяр выделили WO 3 из минерала вольфрамита и, восстановив WO 3 углеродом, впервые получили сам металл, названный ими вольфрамом.
Минерал вольфрамит был известен ещё Агриколе (16 в.) и назывался у него «Spuma lupi» - волчья пена (нем. Wolf - волк, Rahm - пена) в связи с тем, что вольфрам, всегда сопровождая оловянные руды, мешал выплавке олова, переводя его в пену шлаков («пожирает олово как волк овцу»). В США и некоторых других странах элемент назывался также «тунгстен» (по-шведски - тяжёлый камень).
Вольфрам долго не находил промышленного применения. Лишь во 2-й половине 19 в. начали изучать влияние добавок вольфрама на свойства стали.
Вольфрам мало распространён в природе; его содержание в земной коре 1· 10 -4 % по массе. В свободном состоянии не встречается, образует собственные минералы, главным образом вольфраматы.
В обычных условиях вольфрам химически стоек. При 400-500°С металл заметно окисляется на воздухе до WO 3 . Пары воды интенсивно окисляют его выше 600°С до WO 2 .
Галогены, сера, углерод, кремний, бор взаимодействуют с этим металлом при высоких температурах (фтор с порошкообразным вольфрамом - при комнатной). С водородом вольфрам не реагирует вплоть до температуры плавления; с азотом выше 1500°С образует нитрид.
При обычных условиях вольфрам стойкий по отношению к соляной, серной, азотной и плавиковой кислотам, а также к царской водке; при 100°С он слабо взаимодействует с ними; быстро растворяется в смеси плавиковой и азотной кислот. В растворах щелочей при нагревании вольфрам растворяется слегка, а в расплавленных щелочах при доступе воздуха или в присутствии окислителей - быстро; при этом образуются вольфраматы.
В соединениях вольфрам проявляет валентность от 2 до 6, наиболее устойчивы соединения высшей валентности.
Вольфрам образует четыре окисла: высший - трёхокись WO 3 (вольфрамовый ангидрид), низший - двуокись WO 2 и два промежуточных W 10 O 29 и W 4 O 11 . Вольфрамовый ангидрид - кристаллический порошок лимонно-жёлтого цвета, растворяющийся в растворах щелочей с образованием вольфраматов. При его восстановлении водородом последовательно образуются низшие окислы и вольфрам. Вольфрамовому ангидриду соответствует вольфрамовая кислота H 2 WO 4 - жёлтый порошок, практически нерастворимый в воде и в кислотах. При её взаимодействии с растворами щелочей и аммиака образуются растворы вольфраматов. При 188°С H 2 WO 4 отщепляет воду с образованием WO 3 . С хлором вольфрам образует ряд хлоридов и оксихлоридов. Наиболее важные из них: WCl 6 (t пл 275°С, t kип 348°С) и WO 2 Cl 2 (t пл 266°С, выше 300°С сублимирует). Они получаются при действии хлора на вольфрамовый ангидрид в присутствии угля. С серой вольфрам образует два сульфида WS 2 и WS 3 . Карбиды вольфрама WC (t пл 2900°C) и W 2 C (t пл 2750°C) - твёрдые тугоплавкие соединения, которые получаются при взаимодействии вольфрама с углеродом при 1000-1500°С.
Сырьём для получения вольфрама служат вольфрамитовые и шеелитовые концентраты (50-60% WO 3). Из концентратов непосредственно выплавляют ферровольфрам (сплав железа с 65-80% вольфрама), используемый в производстве стали. Для получения вольфрама, его сплавов и соединений из концентрата выделяют вольфрамовый ангидрид. В промышленности применяют несколько способов получения WO 3 . Шеелитовые концентраты разлагают в автоклавах раствором соды при 180-200°С (получают технический раствор вольфрамата натрия) или соляной кислотой (получают техническую вольфрамовую кислоту):
1. CaWO 4TB + Na 2 CO 3Ж = Na 2 WO 4Ж + СаСО 3ТВ
2. CaWO 4TB + 2HCl Ж = H 2 WO 4TВ + CaCl 2p=p
Вольфрамитовые концентраты разлагают либо спеканием с содой при 800-900°С с последующим выщелачиванием Na 2 WO 4 водой, либо обработкой при нагревании раствором едкого натра. При разложении щелочными агентами (содой или едким натром) образуется раствор Na 2 WO 4 , загрязнённый примесями. После их отделения из раствора выделяют H 2 WO 4 . (Для получения более грубых, легко фильтруемых и отмываемых осадков вначале из раствора Na 2 WO 4 осаждают CaWO 4 , который затем разлагают соляной кислотой.) Высушенная H 2 WO 4 содержит 0,2-0,3% примесей. Прокаливанием H 2 WO 4 при 700-800°С получают WO 3 , а уже из него - твёрдые сплавы. Для производства металлического вольфрама H 2 WO 4 дополнительно очищают аммиачным способом - растворением в аммиаке и кристаллизацией паравольфрамата аммония 5(NH 4) 2 O· 12WO 3 · n H 2 O. Прокаливание этой соли даёт чистый WO 3 .
Порошок вольфрама получают восстановлением WO 3 водородом (а в производстве твёрдых сплавов - также и углеродом) в трубчатых электрических печах при 700-850°С. Компактный металл получают из порошка металлокерамическим методом, т. е. прессованием в стальных прессформах под давлением 3-5 тс/см 2 и термической обработкой спрессованных заготовок-штабиков. Последнюю стадию термической обработки - нагрев примерно до 3000°С проводят в специальных аппаратах пропусканием электрического тока непосредственно через штабик в атмосфере водорода. В результате получают вольфрам, хорошо поддающийся обработке давлением (ковке, волочению, прокатке и т.д.) при нагревании. Из штабиков методом бестигельной электроннолучевой зонной плавки получают монокристаллы вольфрама.
Вольфрам широко применяется в виде чистого металла и в ряде сплавов, наиболее важные из которых - легированные стали, твёрдые сплавы на основе карбида вольфрама, износоустойчивые и жаропрочные сплавы. Вольфрам входит в состав ряда износоустойчивых сплавов, используемых для покрытия поверхностей деталей машин (клапаны авиадвигателей, лопасти турбин и др.). В авиационной и ракетной технике применяют жаропрочные сплавы вольфрама с другими тугоплавкими металлами. Тугоплавкость и низкое давление пара при высоких температурах делают его незаменимым для нитей накала электроламп, а также для изготовления деталей электровакуумных приборов в радиоэлектронике и рентгенотехнике. В различных областях техники используют некоторые химические соединения вольфрама, например, Na 2 WO 4 (в лакокрасочной и текстильной промышленности), WS 2 (катализатор в органическом синтезе, эффективная твёрдая смазка для деталей трения).
Вольфра мовые ру ды, природные минеральные образования, содержащие вольфрам в количествах, при которых экономически целесообразно его извлечение. Основными минералами вольфрама являются вольфрамит, содержащий 74-76% WO 3 , и шеелит - 80% WO 3 . Минимальные содержания трёхокиси вольфрама, при которых рентабельно разрабатывать вольфрамовые руды для крупных месторождений порядка 0,14-0,15%, для более мелких жильных - 0,4-0,5%. Вольфрамовые руды часто содержат другие полезные компоненты (олово, молибден, бериллий, золото, медь, свинец и цинк). Кроме того, вольфрамиты некоторых месторождений содержат повышенные количества тантала и скандия, которые могут быть из них извлечены. Для получения концентратов с содержанием 50-60% WO 3 руды обогащают, используя гравитационный, флотационный и другие методы обогащения.
Тугопла вкие мета ллы , по технической классификации - металлы, плавящиеся при температуре выше 1650-1700 °С. В их число входят титан Ti, цирконий Zr, гафний Hf (IV группа периодической системы), ванадий V, ниобий Nb, тантал Ta (V группа), хром Cr, молибден Mo, вольфрам W (VI группа), рений Re (VII группа). Все эти элементы (кроме хрома) относятся к редким металлам, a Re - к рассеянным редким металлам. Высокой температурой плавления характеризуются также металлы платиновой группы и торий, но они по технической классификации не относятся к тугоплавким металлам.
Тугоплавкие металлы имеют близкое электронное строение атомов и являются переходными элементами с достраивающимися oболочками. В их межатомных связях участвуют не только наружные s-электроны, но и d -электроны, что определяет большую прочность межатомных связей и, как следствие, высокую температуру плавления, повышенные механические прочность, твёрдость, электрическое сопротивление. Тугоплавкие металлы имеют близкие химические свойства. Переменная валентность этих металлов обусловливает многообразие их химических соединений. Они образуют металлоподобные тугоплавкие твёрдые соединения.
Физические и химические свойства. Кристаллические решётки тугоплавких металлов IV группы и Re гексагональные, остальных, а также Ti выше 882 °C, Zr выше 862 °C и Hf выше 1310°C - объёмно-центрированные кубические. Ti, V и Zr - относительно лёгкие металлы, а самые тугоплавкие из всех металлов - Re и W - по плотности уступают лишь Os, lr и Pt. Чистые отожжённые тугоплавкие металлы - пластичные металлы, поддаются как горячей, так и холодной обработке давлением, особенно хорошо - металлы IV и V групп. Для применения тугоплавких металов важно, что благоприятные механические свойства их и сплавов на их основе сохраняются до весьма высоких температур. Это позволяет рассматривать их, в частности, как жаропрочные конструкционные материалы. Однако их механические свойства в значительной мере зависят от их чистоты, степени деформации и условий термообработки. Так, Cr и его сплавы даже при малом содержании некоторых примесей становятся непластичными, a Re, имеющий высокий модуль упругости, подвержен сильному наклёпу, вследствие чего даже при небольшой степени деформации его необходимо отжигать. Особенно сильно на свойства тугоплавких металлов влияют примеси углерода (исключая Re), водорода (для металлов IV и V групп), азота, кислорода, присутствие которых делает эти металлы хрупкими. Характерные свойства всех тугоплавких металлов - устойчивость к действию воздуха и многих агрессивных сред при комнатной температуре и небольшом нагревании и высокая реакционная способность при больших температурах, при которых их следует нагревать в вакууме или в атмосфере инертных к ним газов. Особенно активны при нагревании металлы IV и V групп, на которые действует также водород, причём при 400-900 °C он поглощается с получением хрупких гидридов, а при нагревании в вакууме при 700-1000 °C вновь выделяется. Этим свойством пользуются для превращения компактных металлов в порошки путём гидрирования (и охрупчивания) металлов, измельчения и дегидрирования. Тугоплавкие металлы VI группы и Re химически менее активны (их активность падает от Cr к W), они не взаимодействуют с водородом, a Re - и с азотом; взаимодействие Mo с азотом начинается лишь выше 1500 °C, а W - выше 2000 °C. Тугоплавкие металлы способны образовывать сплавы со многими металлами.
Вольфра мовые спла вы - сплавы на основе вольфрама. Для легирования сплавов применяют металлы (Mo, Re, Cu, Ni, Ag и др.), окислы (ThO 2), карбиды (TaC) и другие соединения, которые вводят в вольфрам для повышения его жаропрочности, пластичности (при температурах до 500°С), обрабатываемости, а также обеспечения необходимого комплекса физических свойств. Вольфрамовые сплавы получают методами порошковой металлургии или сплавлением компонентов в дуговых и электроннолучевых печах. В промышленности применяются главным образом металлокерамические сплавы. По структуре различают 3 группы вольфрамовых сплавов: сплавы (твёрдые растворы), псевдосплавы с соединениями и псевдосплавы с металлами.
Основными вольфрамовыми сплавами с однофазной структурой твёрдого раствора являются сплавы вольфрама с Mo (до 50%) и Re (до 30%). При добавлении Mo повышается жаропрочность и электросопротивление сплава; кроме того, у сплавов W - Mo термический коэффициент расширения примерно такой же, как у различных сортов тугоплавкого стекла. Эти сплавы легче обрабатываются по сравнению с чистым вольфрамом. Сплавы с содержанием 20-50% Mo применяют в электровакуумных приборах для изготовления нагревателей, экранов и др.
Рений в твёрдом растворе на основе W существенно повышает низкотемпературную пластичность и соответственно обрабатываемость. Максимальной пластичностью обладают сплавы вольфрама с 20-28% Re. При дальнейшем увеличении содержания Re пластичность вновь начинает падать из-за выделения избыточной σ- фазы. Кроме повышенной пластичности, сплавы W - Re отличаются высокой жаропрочностью. Несмотря на то, что рений является редким и дорогим металлом, такие сплавы еще в 50-х гг. ХХ века начали использоваться в электровакуумных приборах (сплавы с 5-30% Re) и в качестве термопарных материалов, предназначенных для работы вплоть до 2500°С.
Псевдосплавы вольфрама с нерастворяющимися в нём Cu и Ag (вводимыми раздельно или вместе в количестве от 5 до 40%) имеют гетерогенную структуру, состоящую из зёрен W, окружённых прослойками Cu и Ag или их сплава. Эти материалы сочетают высокую твёрдость, жаропрочность, износостойкость, сопротивление электроэрозии, свойственные вольфраму, с хорошей электро- и теплопроводностью Cu и Ag. Из них изготовляют электроконтакты и др. Вольфрам, пропитанный Ag и Cu, применяется и при изготовлении ракетных двигателей. Близкую к псевдосплавам вольфрама с медью и серебром структуру имеют так называемые «тяжёлые сплавы» W с 3-10% Ni и 2-5% Cu. Их плотность после спекания спрессованных заготовок достигает 18 г/см 3 . «Тяжёлые сплавы» используют в качестве материалов защиты от гамма-излучения в радиотерапии и при изготовлении контейнеров для хранения радиоактивных препаратов. Большая плотность «тяжёлых сплавов» позволяет применять их и в других областях (самолетостроении, точном приборостроении и т. д.)
Вольфрама ты приро дные - группа минералов, являющихся солями вольфрамовой кислоты. В природных условиях встречаются только соли Fe, Mn, Zn, Ca, Pb, Al моновольфрамовой кислоты H 2 WO 4 . Из них широко распространены вольфрамит (Fe, Mn) WO 4 и шеелит CaWO 4 , остальные соединения - штольцит PbWO 4 , санмартинит (Zn, Fe) WO 4 встречаются редко. Вольфраматы образуются в эндогенных гидротермальных условиях. Вольфрамит и шеелит являются основными промышленными минералами, из которых извлекается вольфрам.
Используя мощные компьютерные модели, исследователи из Университета Брауна определили материал с температурой плавления выше, чем у любого из известных веществ. Расчеты показывают, что материал, изготовленный из гафния, азота и углерода будет иметь температуру плавления более чем 4400 К. Это примерно две трети от температуры на поверхности Солнца и на 200 К выше, чем самая высокая точка плавления из когда-либо зарегистрированных в ходе эксперимента.
Раньше было экспериментально подтверждено, что рекордной температурой плавления обладает вещество из элементов гафния, тантала, и углерода (HF-Та-C).Расчеты, представленные в журнале Physical Review B, показали, что материал, изготовленный с определенным составом из гафния, азота и углерода (HF-N-C) будет иметь температуру плавления более 4400 К, что на 200 К выше, чем экспериментальный результат. Проведенные расчеты показывают, что оптимальный состав материала из гафния, азота и углерода - HfN 0.38 C 0.51 . Следующим шагом исследователей станет синтез материала для подтверждения выводов лаборатории.
"Преимуществом вычислительного подхода является то, что можно с небольшими затратами посмотреть много различных комбинаций и найти те, которые стоят эксперимента в лаборатории," - сказал Аксель ван де Валле, соавтор исследования.
Исследователи использовали вычислительный метод, при котором температура плавления рассчитывается путем моделирования физических процессов на атомном уровне, следуя закону квантовой механики. Динамика плавления изучается на наноуровне, в блоках около 100 атомов. Исследователи начали с анализа материала HF-Та-C, для которого точка плавления уже определена экспериментально. Моделирование смогло прояснить некоторые из факторов, которые вносят вклад в способность материала выдерживать тепло.
Работа показала, что в HF-Та-С сочетается высокая теплота плавления (энергия выделяется или поглощается, когда он переходит из твердого состояния в жидкое) с небольшой разницей между энтропией твердой и жидкой фаз.
Затем исследователи использовали эти выводы для поиска соединений, которые могут максимально соответствовать таким требованиям. Они обнаружили, что соединение гафния, азота и углерода будет иметь аналогичную высокую температуру плавления, но меньшую разницу между энтропией твердого вещества и жидкости. Когда они рассчитали точку плавления, она получилась на 200 К выше, чем получена в эксперименте для HF-Та-C.
Температуры плавления Та-HF-C-N сплавов. Закрашенные кружки обозначают рассчитанные температуры плавления в системах HF-C и Hf-C-N, а незакрашенные кружки показывают данные для системы Та-HF-C для сравнения.
Работа в конечном итоге может указать на новые высококачественные материалы для различных применений, от покрытий для газовых турбин до деталей высокоскоростных самолетов. Станет или нет этим новым материалом HfN 0.38 C 0.51 пока не ясно, говорят исследователи.
Самым сильным стабильным окислителем , является комплекс дифторида криптона и пентафторида сурьмы. Из-за сильного окисляющего действия (окисляет все элементы в высшие степени окисления, в том числе кислород и азот воздуха) для него очень трудно измерить электродный потенциал. Единственный растворитель, который реагирует с ним достаточно медленно - безводный фтористый водород.
Самым плотным веществом , является осмий. Его плотность составляет 22,5 г/см 3 .
Самый легкий металл - это литий. Его плотность составляет 0,543 г/см 3 .
Самый дорогой металл - это калифорний. Его стоимость в настоящее время составляет 6 500 000 долларов за 1 грамм.
Самый распространенный элемент в земной коре - это кислород. Его содержание составляет 49% от массы земной коры.
Самый редкий элемент в земной коре - это астат. Его содержание во всей земной коре, по оценкам специалистов составляет всего 0,16 грамм.
Самым горючим веществом , является, по-видимому, мелкий порошок циркония. Для того чтоб он не мог гореть, необходимо поместить его в атмосферу инертного газа на пластину из материала, не содержащего неметаллов.
Веществом с наименьшей температурой кипения , является гелий. Его температура кипения равна -269 градусов по Цельсию. Гелий - единственное вещество, не имеющее температуры плавления при обычном давлении. Даже при абсолютном нуле он остается жидким. Жидкий гелий широко используется в криогенной технике.
Самый тугоплавкий металл - это вольфрам. Его температура плавления составляет +3420 градусов по Цельсию. Из него изготовляют нити накаливания для электрических лампочек.
Самый тугоплавкий материал - это сплав карбидов гафния и тантала (1:1). Он имеет температуру плавления +4215 С.
Самым легкоплавким металлом , является ртуть. Ее температура плавления равна -38,87 градусов по Цельсию. Она же является самой тяжелой жидкостью , ее плотность составляет 13,54 г/см 3 .
Самую высокую растворимость в воде среди твердых веществ имеет трихлорид сурьмы. Его растворимость при +25 С составляет 9880 грамм на литр.
Самым легким газом , является водород. Масса 1 литра составляет всего 0,08988 грамм.
Самым тяжелым газом при комнатной температуре , является гексафторид вольфрама (т. кип. +17 С). Его масса составляет 12,9 г/л, т.е. в нем могут плавать некоторые виды пенопласта.
Самым стойким к кислотам металлом , является иридий. До сих пор не известно ни одной кислоты или их смеси, в которых он бы растворялся.
Самый широкий диапазон концентрационных пределов взрываемости имеет сероуглерод. Взрываться могут все смеси паров сероуглерода с воздухом содержащие от 1 до 50 объемных процентов сероуглерода.
Самой сильной стабильной кислотой является раствор пентафторида сурьмы во фтористом водороде. В зависимости от концентрации пентафторида сурьмы эта кислота может иметь показатель Гаммета до -40.
Самым необычным анионом в соли является электрон. Он входит в состав электрида 18-краун-6 комплекса натрия.
Самым горьким веществом , является денатония сахаринат. Его получили случайно, во время исследования денатония бензоата. Сочетание последнего с натриевой солью сахарина дало вещество в 5 раз более горькое, чем предыдущий рекордсмен (денатония бензоат). В настоящее время оба этих вещества используются для денатурации спирта и других непищевых продуктов.
Самым сильным ядом , является ботулинический токсин типа А. Его летальная доза для мышей (ЛД50, внутрибрюшинно) составляет 0,000026 мкг/кг веса. Это белок с молекулярной массой 150 000, продуцируемый бактерией Clostridium botulinum.
Самым нетоксичным органическим веществом , является метан. При увеличении его концентрации интоксикация возникает из-за недостатка кислорода, а не в результате отравления.
Самый сильный адсорбент , был получен в 1974 году из производного крахмала, акриламида и акриловой кислоты. Это вещество способно удерживать воду, масса которой в 1300 раз превосходит его собственную.
Самыми зловонными соединениями , являются этилселенол и бутилмеркаптан. Концентрация которую человек может обнаружить по запаху так мала, что до сих пор нет методов позволяющих ее точно определить. По оценкам величина ее составляет 2 нанограмма на кубометр воздуха.
Самым сильным галлюциногенным веществом , является диэтиламид l-лизергиновой кислоты. Доза всего в 100 микрограмм вызывает галлюцинации продолжающиеся около суток.
Самым сладким веществом , является N-(N-циклонониламино(4-цианофенилимино)метил)-2-аминоуксусная кислота. Это вещество в 200 000 раз превосходит по сладости 2% раствор сахарозы, но из-за своей токсичности, применения в качестве подсластителя, по видимому не найдет. Из промышленных веществ самым сладким является талин, который в 3 500 - 6 000 раз слаще сахарозы.
Самым медленным ферментом , является нитрогеназа, катализирующая усвоение клубеньковыми бактериями атмосферного азота. Полный цикл превращения одной молекулы азота в 2 иона аммония занимает полторы секунды.
Самым сильным наркотическим анальгетиком является, по-видимому, вещество, синтезированное в Канаде в 80-х годах. Его эффективная анальгетическая доза для мышей (подкожное введение) составляет всего 3,7 нанограмма на килограмм веса, то есть он в 500 раз сильнее эторфина.
Органическим веществом с самым большим содержанием азота является бис(диазотетразолил)гидразин. Он содержит 87,5% азота. Это взрывчатое вещество черезвычайно чувствительно к удару, трению и теплу.
Веществом с самой большой молекулярной массой является гемоцианин улитки (переносит кислород). Его молекулярная масса составляет 918 000 000 дальтон, что больше молекулярной массы даже ДНК.
Исследователи из Имперского колледжа в Лондоне (Imperial College of London) обнаружили, что смесь карбида тантала и карбида гафния в определенных пропорциях является материалом, имеющим самую высокую температуру плавления среди всех известных людям материалов. Точка плавления этого композитного керамического материала вплотную приблизилась к отметке в 4 тысячи градусов Цельсия, и это позволит создать на базе такой керамики новый класс жаропрочных материалов, выступающих в качестве тепловой защиты космических кораблей и будущих гиперзвуковых авиалайнеров.
Карбид тантала (TaC) и карбид гафния (HfC) являются высокостабильными химическими соединениями, способные, помимо чрезвычайно высокой температуры, выдержать еще целый ряд экстремальных неблагоприятных факторов, которые присутствуют в перегретой среде активных зон атомных реакторов, к примеру.
До последнего времени у ученых отсутствовала возможность точного измерения температуры точки плавления композитных керамических материалов на основе карбида тантала и карбида гафния, традиционными методами удавалось измерить лишь температуру точки плавления каждого из этих материалов в отдельности и самых низкотемпературных вариантов их комбинаций.
В своих исследованиях ученые из Лондона использовали чистые карбид тантала, карбид гафния, и три вида их “керамического сплава” Ta1?xHfxC, при x = 0.8, 0.5 и 0.2. А для измерения температур точек плавления этих материалов использовалась специально для этого разработанная технология лазерного нагрева.
Для нагрева керамического материала использовалась последовательность из четырех лазерных импульсов. Первым импульсом был самый низкоэнергетический импульс, длительность которого составляла около 1000 миллисекунд. Мощность каждого последующего импульса увеличивалась, с одновременным уменьшением его длительности на несколько сотен миллисекунд. Такой плавный и многоэтапный разогрев материала был необходим для минимизации возникающих тепловых напряжений в материале и снижения риска механического разрушения испытуемых образцов.
Полученные учеными результаты полностью подтверждают результаты предыдущих исследований. Согласно этим результатам чистый карбид тантала плавится при температуре 3768 градусов Цельсия, а температура плавления карбида гафния составляет 3958 градусов Цельсия. Самую высокую температуру точки плавления имеет композитный керамический материал HfC0.98, который плавится при температуре 3959 градусов Цельсия, и этот материал является самым тугоплавким материалом на сегодняшний день.
В ближайшем времени ученые планируют проведение подобных исследований по отношению к композитным керамическим материалам с другим процентным содержанием исходных компонентов. Кроме этого, планируется произвести исследования материалов, состоящих из четырех типов атомов Ta-Hf-C-N, которые, согласно теории, должны иметь еще большую температуру плавления нежели материалы на основе трех типов атомов Ta-Hf-C.
