كربيد الهافنيوم الرباعي – HfC

في الكيمياء إن مركب كربيد الهافنيوم الرباعي وفي الإنجليزية (Hafnium (IV) Carbide) عبارة عن مركب غير عضوي يتكون من عنصر الهافنيوم وعنصر الكربون ويمتلك الصيغة الكيميائية التالية: (HfC)، ويتوفر مركب كربيد الهافنيوم في العديد من الأشكال والأشكال المخصصة بما في ذلك القرص والحبيبات والسبائك والكريات والقطع والمسحوق وغيرها، كما ويتوفر مركب كربيد الهافنيوم بشكل عام على الفور في معظم الأحجام المختلفة، كما وأن له وزن جزيئي مقداره 190.50 غرام لكل مول.

كربيد الهافنيوم الرباعي

• إن مركب كربيد الهافنيوم عبارة عن مركب كيميائي مكون من عنصري الهافنيوم والكربون، تبلغ درجة انصهاره حوالي 3900 درجة مئوية وهو يعتبر واحد من أكثر المركبات الثنائية المعروفة مقاومة للحرارة، ومع ذلك فإن مقاومته للأكسدة منخفضة جدًا وتبدأ الأكسدة عند درجة حرارة 430 درجة مئوية، كما ويمكن اعتبار هذا المركب كجزء من الدرع الحراري في المركبات الفضائية المستقبلية، وغالبا ما يكون كربيد الهافنيوم (الكربنة) ناقصًا للكربون لذلك فإنه يتم التعبير عن تركيبتها عادةً على أنها (HfC x) (x = 0.5 إلى 1.0)، كما وأن له هيكل بلوري مكعب (صخور الملح) بأي قيمة x.

• بما أن مركب كربيد الهافنيوم (HfC) مع نقطة انصهار تزيد عن 3890 درجة مئوية هو مركب ثنائي حراري، فإنه يمكن أيضًا أن يتم استخدامه ومركب (NbC) كطلاءات حرارية في المفاعلات النووية، كما ويمتلك الكربيد المختلط (Ta4HfC5) أعلى نقطة انصهار لأي مركب معروف حاليًا عند 4215 درجة مئوية، وعادة ما يتم تصنيع مركب كربيد الهافنيوم مع مركب ثاني أكسيد الهافنيوم (HfO2) والكربون في جو خامل أو مختزل، ودرجة حرارة التفاعل 1900-2300 درجة مئوية، ويمكن أن يشكل كربيد الهافنيوم محلولًا صلبًا مع العديد من المركبات (مثل مركب ZrC، ومركب TaC، وما إلى ذلك).

• يتم الحصول على مسحوق كربيد الهافنيوم من خلال عملية اختزال أكسيد الهافنيوم (IV) بالكربون عند درجة حرارة مقدارها 1800 إلى 2000 درجة مئوية، كما أنه يلزم وقت معالجة طويل من أجل إزالة كل الأكسجين، وبدلاً من ذلك فإنه يمكن الحصول على طلاءات كربيد الهافنيوم عالية النقاء عن طريق عملية ترسيب البخار الكيميائي من خليط غاز من الميثان والهيدروجين وكلوريد الهافنيوم المبخر (IV)، ولكن بسبب وجود التعقيدات التقنية والتكاليف الضخمة من أجل عملية التوليف فإن مركب كربيد الهافنيوم يمتلك استعمال محدود جدا وذلك على الرغم من مميزاته المحبوبة مثل الصلابة العالية (> 9 موس) ونقطة الانصهار العالية.

• لا يذوب مركب كربيد الهافنيوم في الماء، إن مركب كربيد الهافنيوم عبارة من مركب خلالي حيث توجد ذرات الكربون في الثقوب الاوكتاهدرا لذرات الهافنيوم، كما ويتبع التركيب البلوري لمركب كربيد الهافنيوم النظام البلوري المكعب، وذلك على غرار ملح كلوريد الصوديوم، ويمتلك ثابت وحدة الخلية a4: 63 أنغنستروم، ولقد تم تصنيع المحاليل الصلبة من مركب كربيد التنتالوم (TaC) ومركب كربيد الهافنيوم (HfC) عن طريق عملية تلبيد البلازما الشرارة.

• لقد تم تلبيد خمسة تركيبات مختلفة وهي كالتالي: (مركب HfC نقي، HfC-20 حجم٪ TaC ، HfC- 50 حجم٪ TaC ، HfC- 80 حجم٪ TaC، ومركب TaC نقي) عند درجة حرارة مقدارها 1850 درجة مئوية بالإضافة إلى ضغط 60 ميجا باسكال ووقت احتجاز 10 دقيقة دون أي مساعدات تلبيد، وقد تم تحقيق كثافة شبه كاملة لجميع العينات خاصة في العينات المحتوية على مركب كربيد الهافنيوم (HfC).

• ولقد كانت المسامية في عينات (TaC) النقية ناتجة عن تلوث الأكسجين (Ta2O¬5) على سطح مسحوق البداية، كما وقد أدت إضافة مركب كربيد الهافنيوم (HfC) إلى زيادة التكثيف الكلي عن طريق نقل تلوث الأكسجين من سطح (TaC)، وبالإضافة إلى تشكيل حبيبات من مادة (HfO2) ومن (Hf-O-C) متناهية الصغر، ومع زيادة تركيز كربيد الهافنيوم (HfC)، تم تقليل الحجم الكلي للحبوب بنسبة 50٪ من (HfC- 80 بالحجم٪ TaC إلى HfC-20 حجم٪ ) عينة (TaC).

• كما ويتطلب تكوين المحلول الصلب طاقة إضافية، مما يحد من نمو الحبوب، ولقد تم الحصول على المعلمات الشبكية لعينات المحلول الصلب باستخدام حيود الأشعة السينية الذي كان له تطابق ممتاز مع القيم النظرية المحسوبة باستخدام قانون فيجارد، وقد تفوقت الخواص الميكانيكية لعينات المحلول الصلب على عينات كربيدات كلا من (TaC) و (HfC) النقية نظرًا لزيادة التكثيف وحجم الحبوب الأصغر.

أسئلة مختلفة عن مركب كربيد الهافنيوم

• والآن ما مدى قوة كربيد الهافنيوم؟ في الواقع تتميز السبائك القائمة على (W و Mo) المشتتة بكربيد الهافنيوم بخصائص شد وكسر إجهاديه أعلى من تلك التي لا تحتوي على (HfC)، وعلى أساس تعويض الكثافة يُظهر سلك (MoHfC) قوة شد وتمزق إجهاد أفضل من سلك (WHfC) تحت ضغط حوالي 1400 كلفن، وتبلغ كثافة كربيد الهافنيوم 12.7 جم لكل سم مكعب ونقطة انصهار تبلغ 3890 درجة مئوية، وهي تعد أعلى نقطة انصهار بين المركبات الفردية المعروفة.

• إن مقاومة الحجم مقدارها 1.95 × 10-4 أوم سم (2900 درجة مئوية)، ومعامل التمدد الحراري مقدارها 6.73 × 10-6 لكل درجة مئوية، وبشكل عام فإنه يتم استخدام مركب ثاني أكسيد الهافنيوم (HfO2) والكربون من أجل عملية تخليق المسحوق في جو خامل أو مختزل، علما أن درجة حرارة تفاعل مركب كربيد الهافنيوم هي من درجة حرارة 1900 إلى 2300 درجة مئوية ومن الممكن أن تشكل محلول صلب مع العديد من المركبات (مثل مركب ZrC ومركب  TaC وغيره)، حيث أن لديها نقطة انصهار عالية ومعامل مرن عالي، بالإضافة إلى موصلية كهربائية وموصلية حرارية جيدة وتمدد حراري صغير وأداء تأثير جيد.

• هل كربيد الهافنيوم سام؟ في الدراسات التي أجريت على الحيوانات لقد وجد أن أكسدة ثلاثي كلورو سامة من خلال الطريق داخل الصفاق، ولا توجد تقارير عن وجود تسمم صناعي. كربيد: الكربون النقي له سمية منخفضة جدًا للإنسان ومن الممكن أن تتم معالجته إما على شكل غرافيت أو فحم أو حتى بلعه بأمان.

• لماذا يمتلك كربيد الهافنيوم درجة انصهار عالية؟ إن مركب كربيد الهافنيوم يكون شديد المقاومة للتآكل؛ لأنه يشكل طبقة أكسيد على السطح المكشوف، ووفقًا لتقرير من “Chemical World” فإنه من بين المركبات المكونة من ثلاثة عناصر فإن مركب كربيد التنجستن والهافنيوم المختلط له أعلى نقطة انصهار من أي مركب معروف عند درجة حرارة مقدارها 7457 درجة فهرنهايت (4125 درجة مئوية).

• ما هو استخدام كربيد الهافنيوم؟ كربيد الهافنيوم مناسب جدًا من أجل فوهات الصواريخ، كما أنه من الممكن أن يتم استخدامه كأنف مخروط للصواريخ الفضائية التي تدخل الغلاف الجوي مرة أخرى وتستخدم في صناعة السيراميك والصناعات الأخرى.