碳化物的应用及意义

过渡金属碳化物是一类具有很高的熔点及硬度、极高的热稳定性和机械稳定性、在室温下几乎耐各种化学腐蚀等特点的物质。有些还具有特殊的光、电、磁、超导、热学、催化等性能，是一种极富潜力的非氧化物高温结构材料、电子材料和催化新材料［44，45］。

1.碳化硅（SiC）

碳化硅的基本结构单元是Si—C以共价键相结合而形成的正四面体，即由3个C原子和位于这3个C原子所围成的三角形的中心上方的1个Si原子共同构成［46］。Si原子处于正四面体的中心，每个Si原子周围有4个C原子，反之亦然，并且相邻的两个正四面体共用顶端上的一个原子。由于Si原子的电负性为1.8，C原子的电负性为2.6［47］，因此，Si—C间通过强四面体形式实现sp3杂化，并且存在一定程度的极化。C原子之间或Si原子之间的原子间距约为0.308 nm，Si—C即两个异种原子间距为（3/8）1/2即0.189 nm，两个Si或C原子所在的平面之间的距离为（2/3）1/2即0.252 nm。每种原子被4个异种原子所包围，形成四面体配位的碳硅四面体和硅碳四面体单元，如图1.7所示。碳化硅结构的对称性赋予了其众多优异性能，如较好的化学及热力学稳定性、耐腐烛性、优异的热传导性等。

碳化硅（SiC）作为半导体材料具有宽间接禁带、大击穿电场（Ecirt=3.0 MV·cm-1）、高热导率（Θk=4.9W·cm·K-1）和高电子饱和漂移速度（Vsat=2.0×107cm·s-1）、化学稳定性好等特点，使其在高温、高频、大功率和抗辐射等极端环境下工作的光电子器件方面有着巨大的应用前景［48-50］。碳化硅陶瓷纤维具有高强度（1～4 GPa）、高模量（150～400 GPa）、耐高温（＞1200℃）、抗氧化、抗腐烛、低密度（＜3.5 g/cm3）和电阻率可调控等其他无机纤维无法媲美的优异性能，用于耐高温的增强型复合材料，是金属基和陶瓷基复合材料的首选，在航空航天、汽车、机械以及石油化学工业中多有应用［51-55］。

图1.7　基本结构单元的Si—C四面体结构

2.碳化钛（TiC）

碳化钛（TiC）是具有金属光泽的铁灰色晶体，其具有弱磁性。由于TiC具有相当高的硬度，因此TiC材料主要被用于制造金属陶瓷、耐热合金及硬质合金等材料。TiC具有熔点高、蒸气压低、逸出功小等优点，因此其又可作为高温辐射材料以及其他高温电真空器件。用碳化钛（TiC）制备的复相材料在机械加工、冶金矿产、航天领域、聚变堆等领域有着广泛的应用。碳化钛晶体结构如图1.8所示。

图1.8　碳化钛晶体结构

3.碳化铬（Cr7C3）(www.xing528.com)

Cr7C3是M7C3（M=Cr、Fe、Mn）型过渡金属碳化物的一种。这种材料具有极高的硬度和良好的高温稳定性，经常作为耐磨材料的增强相。除此之外，碳化铬在切削材料和高温合金等领域也有着广泛的应用。

Liu等人［56］通过第一性原理对Cr7C3的稳定性和力学性能进行了研究。如图1.9所示，在Cr7C3晶体结构中，同时存在正交晶系和六方晶系两种晶体结构。

图1.9　Cr7C3的晶体结构

4.碳化钽（TaC）

如图1.10所示，TaC属于等轴晶系的晶体结构，其中Ta金属原子排列成立方密堆积，C原子填充在Ta原子构成的八面体空隙中。C原子和Ta原子的配位数均为6。马淑红等［57］利用密度泛函理论对TaC的电子结构及力学性能进行了研究。研究结果表明，TaC分子中，所有成键态都被填满，多余的电子被填充到反键态，所以TaC具有较强的金属性。

TaC拥有很多优异的物理和化学性质。如高硬度、高熔点（达3880℃）、良好的导电性及良好的耐腐蚀性能等，可用于硬质耐磨合金刀具、粉末冶金、化学气相沉积、切削工具和耐磨耐蚀结构部件添加剂［58，59］。

图1.10　TaC的晶体结构