陶瓷的前沿

過渡金屬碳化物(transition-metal carbide)

先從一個由重金屬原子(鉭、鉿、鈦、鎢)組成的最密堆積晶格開始,再把小小的碳原子塞進它們之間寬敞的空隙——也就是間隙位置。結果就是過渡金屬碳化物,一種「間隙化合物」,那些嬌小的碳客人從內部撐住金屬籠。這個小小的改動買到驚人的性質:其中包括所有固體裡數一數二的高熔點。碳化鉭(TaC)與碳化鉿(HfC)熔點約 3900 度C,而鉭-鉿混合碳化物長年保有約 4000 度C 的紀錄——比幾乎任何其他固體所能承受的都還高。

重要的碳化物有 TiC、ZrC、HfC、TaC 與 WC。對前段過渡金屬(第 4、5 族)而言,其單碳化物通常採岩鹽結構(rock-salt structure)——碳位於面心立方金屬陣列的八面體間隙——並能容忍很寬的非化學計量(nonstoichiometry),安然以 MC_x 存在,x 小於 1(許多碳位就空著)。它們和硼化物一樣導熱又導電,而且極硬,約 20 到 30 GPa。碳化鎢在結構上是個異類(六方),卻是遠遠最常用的:與鈷金屬黏結後成為燒結碳化物(cemented carbide),也就是鑽頭與切削刀片的日常材料。

碳化物之所以重要,是作為超高溫陶瓷用於最尖銳、最熾熱的前緣,作為切削刀具與耐磨件裡的硬質相,作為硬質塗層,甚至作為核燃料與披覆(鈾與碳化矽)。老實的告誡與二硼化物相呼應:儘管熔點高聳入天,它們在熱空氣中仍容易氧化(熔點所宣傳的是錯的強度——真正限制使用的是氧化);它們很脆;而且它們耐火到燒結緻密都需要極高溫度、通常還要外加壓力。

混合碳化物 Ta4HfC5 長期被引用具有約 4000 度C 的熔點,是所有已知材料中最高之一——這正是它被研究用於火箭噴嘴喉部的原因,那裡在燃料燃燒的排氣中絕不能軟化。

間隙碳撐開金屬晶格,把熔點推到固體的極端邊緣。

創紀錄的熔點並不等於可以把碳化物裸露在熱空氣中使用——它會遠在熔化之前就氧化。實際使用時,碳化物要靠塗層保護、與碳化矽複合、或在惰性或還原氣氛中運轉。

又稱
MCinterstitial carbide間隙碳化物TaC / HfC / TiC / WC