Carburo di afnio

Carburo di afnio
Caratteristiche generali
Formula bruta o molecolare	HfC
Massa molecolare (u)	190,5
Aspetto	polvere nera inodore
Numero CAS	12069-85-1
Numero EINECS	235-114-1
PubChem	16212551
SMILES	[C-]#[Hf+]
Proprietà chimico-fisiche
Densità (g/cm^3, in c.s.)	12,2
Solubilità in acqua	praticamente insolubile
Temperatura di fusione	3 982 °C (4 255 K)
Indicazioni di sicurezza
Simboli di rischio chimico
Frasi H	228
Consigli P	210 - 240 - 241 - 280

Struttura cristallina del carburo di afnio.
(● Hf^4+ ● C^4-)

Il carburo di afnio è un materiale inorganico composto da afnio e carbonio appartenente alle ceramiche ultra refrattarie e caratterizzato da un'altissima resistenza termica e meccanica.

Sintesi

Il carburo di afnio può essere ottenuto utilizzando diversi processi che sono peraltro gli stessi utilizzati per ottenere il carburo di titanio. Esso si può quindi creare mediante riduzione carbotermica del biossido di afnio condotta a temperature comprese tra i 1 800 e i 2000 °C:

${\displaystyle \mathrm {HfO_{2}+3\ C\longrightarrow HfC+2\ CO} }$

od ottenere dagli elementi con una sinterizzazione condotta a più di 2000 °C e, data l'elevata sensibilità dell'afnio all'azoto, sotto un battente di argon ultrapuro.

${\displaystyle \mathrm {Hf+C\longrightarrow HfC} }$

Un'altra preparazione prevede invece l'utilizzo di cloruro di afnio(IV):

${\displaystyle \mathrm {HfCl_{4}+\ CH_{4}\longrightarrow \ HfC+4\ HCl} }$

In questo caso il carburo di afnio è ottenuto come deposito attraverso una tecnica di deposizione chimica da vapore condotta con una miscela di metano, idrogeno e cloruro di afnio(IV) vaporizzato.

Proprietà

Il carburo di afnio è una soluzione solida di intercalazione in cui gli atomi di carbonio occupano gli spazi ottaedrici presenti all'interno del reticolo cristallino dell'afnio. Solitamente carente in carbonio, esso ha di conseguenza una composizione solitamente espressa come HfC_x, con x compreso tra 0,5 e 1,0, con una struttura cubica a facce centrate che mantiene per ogni valore di x.[1]

A temperatura ambiente esso risulta stabile e insolubile in acqua, ma solubile in acido fluoridrico, acido solforico concentrato caldo, acido nitrico o soluzione alcalina calda.

Con un punto di fusione confermato sperimentalmente nel 2018 di 3982±30 °C e con una piccola possibilità che esso superi effettivamente i 4000 °C,[2] il carburo di afnio era, a tale data, il materiale più altofondente conosciuto,[3] avendo purtuttavia una bassa resistenza all'ossidazione, che avviene a temperature inferiori ai 500 °C.[4]
Tale valore è stato poi superato da un composto molto simile, il carbonitruro di afnio, il cui punto di fusione, stimato da simulazioni nel 2015 e confermato speriamentalmente nel 2020, supera i 4000 °C, aggirandosi attorno ai 4100 °C.[5]

A seconda del tenore di carbonio, le proprietà del composto cambiano anche significativamente, con il carburo di afnio che risulta paramagnetico per x ≤ 0,8 e diamagnetico per valori di x più alti, ossia un comportamento opposto a quello osservato nel carburo di tantalio, TaC_x, nonostante i due materiali condividano la struttura cristallina.[6]

Con un valore di durezza Vickers pari a circa 2 660, ossia circa 26,1 GPa, che lo pone a un valore superiore a 9 sulla scala di Mohs, il carburo di afnio è in linea con gli altri carburi suoi simili, come il già citato carburo di tantalio o il carburo di tungsteno.

Utilizzi

L'elevata complessità tecnica e quindi i costi della sua preparazione, limitano fortemente gli utilizzi del carburo di afnio. Esso trova comunque utilizzo nella produzione di rivestimenti e riporti metallici, orientati soprattutto a prevenire la formazione di whisker, e di barre di moderazione per reattori nucleari.

Note

1. A. A. Lavrentyev, B. V. Gabrelian, V. B. Vorzhev, I. Ya. Nikiforov, O. Yu. Khyzhun e J. J. Rehr, Electronic structure of cubic Hf_xTa_1-xC_y carbides from X-ray spectroscopy studies and cluster self-consistent calculations, in Journal of Alloys and Compounds, vol. 462, n. 1-2, 26 agosto 2008, pp. 4-10, DOI:10.1016/j.jallcom.2007.08.018. URL consultato l'8 aprile 2024.
2. Sergey V. Ushakov, Alexandra Navrotsky, Qi-Jun Hong e Axel van de Walle, Carbides and Nitrides of Zirconium and Hafnium, in Materials, vol. 12, n. 17, 26 agosto 2019, pp. 2728, Bibcode:2019Mate...12.2728U, DOI:10.3390/ma12172728, PMC 6747801, PMID 31454900. URL consultato l'8 aprile 2024.
3. Omar Cedillos-Barraza, Dario Manara, K. Boboridis, Tyson Watkins, Salvatore Grasso, Daniel D. Jayaseelan, Rudy J. M. Konings, Michael J. Reece e William E. Lee, Investigating the highest melting temperature materials: A laser melting study of the TaC-HFC system, in Scientific Reports, vol. 6, 2016, pp. 37962, Bibcode:2016NatSR...637962C, DOI:10.1038/srep37962, PMC 5131352, PMID 27905481. URL consultato l'8 aprile 2024.
4. Shiro Shimada, Oxidation Kinetics of Hafnium Carbide in the Temperature Range of 480° to 600°C, in Journal of the American Ceramic Society, vol. 75, n. 10, ottobre 1992, pp. 2671-2678, DOI:10.1111/j.1151-2916.1992.tb05487.x. URL consultato l'8 aprile 2024.
5. Yu Dai, Fanhao Zeng, Honghao Liu, Yafang Gao, Qiaobin Yang, Meiyan Chen, Rui Huang e Yi Gu, Controlled nitrogen content synthesis of hafnium carbonitride powders by carbonizing hafnium nitride for enhanced ablation properties, in Ceramics International, vol. 49, n. 20, 15 ottobre 2023, pp. 33265-33274, DOI:10.1016/j.ceramint.2023.08.035, ISSN 0272-8842 (WC · ACNP). URL consultato l'8 aprile 2024.
6. Aleksandr Ivanovich Gusev, Andreĭ Andreevich Rempel e Andreas J. Magerl, Disorder and Order in Strongly Nonstoichiometric Compounds: Transition Metal Carbides, Nitrides, and Oxides, Springer Science, 2001, pp. 513-516, ISBN 978-3-540-41817-7. URL consultato l'8 aprile 2024.

Controllo di autorità	GND (DE) 4412278-0