碳化钽 Tantalum carbide（TaC）
中文名称：碳化钽
CAS No.：12070-06-3
EINECS号：235-118-3
分子式：CTa
分子量：192.96
熔点：3880℃
硬度：2100HV0.05
晶型：浅棕色金属状立方结晶粉末，属于氯化钠型立方晶系。
密度：14.3g/cm3
电阻：室温为30Ω
性质：不溶于水，难溶于无机酸，能溶于氢氟酸和硝酸的混合酸中并可分解。抗氧化能力强，易被焦硫酸钾熔融并分解。
应用：（1）碳化钽硬度大、熔点高、高温性能好，主要用作硬质合金添加剂。添加碳化钽能细化硬质合金的晶粒，是其热硬度、抗热冲击和抗热氧化等性能得到显著提高。长期依赖多以单一的碳化钽添加到碳化钨（或碳化钨与碳化钛）中，与黏结剂金属钴混合、成型、烧结生产硬质合金。为了降低硬质合金成本，往往使用钽铌复合碳化物，目前主要使用的钽铌复合物有：TaC：NbC为80:20及60:40两种，碳化铌在复合物中的最高量达到40%（一般认为不超过20%为好）。在硬质合金制作中，TAC主要起着抑制合金晶粒增长、提高合金的红硬性和耐磨性，增强合金的抗氧化性和耐腐蚀性及改善合金组织结构的作用。在普通钨钴和钨钴钛硬质合金中只需加0.3%-0.4%即可，TaC不能单独被钴润湿，需要搭配WC和TiC固溶体。
（2）用于粉末冶金、切削工具、精细陶瓷、化学气相沉积、硬质耐磨合金刀具、工具、模具和耐磨耐蚀结构部件添加剂，提高合金的韧性。碳化钽的烧结体显示金黄色，可作手表装饰品。
制备方法:
（1）还原法
制备工艺主要为：氧化钽或碳粉末与碳混合，在高温、氢气保护下或真空条件下进行一次及二次碳化生成碳化钽。需要进行二次碳化的原因是第一次碳化由于多种因素的影响，碳化不彻底，产品中的化合碳、游离碳及杂质等都难达到要求。二次碳化在真空条件下过量的碳与钽生成碳化物。影响碳化物质量的主要因素有：配碳量、原料粒度与纯度、装料方式、碳化温度、碳化时间、二次碳化等。上述方法只能制备块状或大颗粒状的TaC。
从工业角度考虑，金属氧化物的碳热还原法是使用得最广泛的一种方法，但其还原温度在1500℃以上，反应速率十分缓慢，更高温度反应时TaC颗粒容易长大，降低其力学性能。工业上，利用球磨法制备微米级碳化钽粉末，方法是将固体碳球和五氧化二钽混合后放在真空和氩气气氛中球磨，在1700℃的高温下，进行还原和渗碳处理，可以得到粒度尺寸大于2μm的碳化钽粉末。为了加快反应速度，改善传统方法的缺陷，微波还原法可以很好地提高粉末扩散速率，使反应温度降低50-100℃，并缩短处理时间，节省能量，节约成本。其制备工艺为：Ta2O5+碳黑在1250℃-1500℃微波还原，加热速度大于100℃/min，超过1400℃时，Ta2O5完成转化为TaC，而没有生成任何中间相或Ta的低价氧化物。
（2）化合法
化合法是一种常见的固相法制备TaC工艺。在一定的条件下，T啊和C发生化学反应直接生成TaC：Ta（s）+C（s）→TaC（s）
（3）化学气相沉积法
CVD法制备TaC涂层需要用到源物质-TaCl5。TaCl5在500K时气化，将气化了的TaCl5做为气源倒入CVD炉，与其他导入的还原气氛一起沉积生成TaC，其反应过程如下：
TaCl5+CmHn+H2→TaC+HCl+H2
贮存条件：惰气防静电包装，应密封保存于干燥、阴凉的环境中，不宜长久暴露于空气中。
碳化钽（TaC）是一种超高温陶瓷材料，所谓超高温陶瓷（UHTCs）通常指熔点超过3000℃，并在2000℃以上的高温及腐蚀环境中（如氧原子环境）使用的一类陶瓷材料，如ZrC、HfC、TaCHfB2、ZrB2、HfN等。碳化钽熔点高达3880℃，具有高硬度（莫氏硬度9～10）、较大的导热系数（22W·m-1·K-1）、较大的抗弯强度（340～400MPa），以及较小的热膨胀系数（6.6×10-6K-1），并展现出优良的热化学稳定性和优异的物理性能，与石墨及C/C复合材料具有良好的化学相容性和力学相容性，因此TaC涂层被广泛应用于航空航天热防护、单晶生长、能源电子，以及医疗器械等领域。
应用领域：
1）TaC具有优良的热化学稳定性和优异的物理性能，且与石墨具有良好的化学相容性和力学相容性，在石墨表面制备TaC涂层，可以有效增强其抗氧化、抗腐蚀、耐磨及力学性能等。尤其适用于MOCVD设备生长GaN或AlN单晶和PVT设备生长SiC单晶，所生长的单晶质量得到明显提高。由于TaC涂层对H2，HCl，NH3具有优异的耐酸碱性，在碳化硅半导体产业链中，TaC还可在MOCVD等外延处理过程中完全保护石墨基体材料，净化生长环境。
2）多孔碳化钽陶瓷可更好的实现气相组元过滤，调整局部温度梯度，引导物质流方向，控制泄漏等。
3）随着现代飞行器如航空航天器、火箭、导弹向着高速、高推力、高空的方向发展，对其表面材料在极端条件下的耐高温性和抗氧化性要求也越来越高。飞行器进入大气层时面临着热流密度高、驻点压力大和气流冲刷速度快等极端环境，同时面临着与氧气、水蒸气和二氧化碳反应而产生的化学烧蚀。在飞行器飞出和飞入大气层时，其头锥和机翼周围的空气会受到剧烈压缩而与飞行器表面产生较大的摩擦，导致其表面受气流流动加热。飞行器表面除了在飞行过程中受气动加热外，还会在飞行过程中受到太阳辐射、环境辐射等的影响，使飞行器的表面温度不断升高，这一变化会严重影响飞行器的服役状况。TaC是耐超高温陶瓷家族的一员，高的熔点和出色的热力学稳定性使TaC广泛应用于飞行器热端部位，例如可以对火箭发动机喷管的表面涂层起到保护作用。
4）TaC还在切削工具、研磨材料、电子材料以及催化剂等领域具有广泛应用前景。例如，将TaC添加在硬质合金中可以阻止硬质合金的晶粒生长，提高硬质合金的硬度，改善其使用寿命；TaC具有良好的导电性，并且可以组成非化学计量化合物，导电性随组分不同而产生变化，这种特性使TaC在电子材料领域具有诱人的应用前景；在TaC的催化脱氢方面，有研究者对TiC、TaC的催化性能研究表明，在较低温度下，TaC基本没有催化活性，但在高于1000℃时，其催化活性明显升高。对于CO的催化性能方面的研究发现，300℃时TaC的催化产物有甲烷、水以及少量的烯烃。
