Carbure de tantale

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Carbure de tantale
NaCl polyhedra.png
__ Ta4+     __ C4−
Maille cristalline du carbure de tantale
(stœchiométrique)
Identification
No CAS 12070-06-3 (TaC)
12070-07-4 (Ta2C)
No EINECS 235-118-3 (TaC)
235-119-9 (Ta2C)
Apparence poudre gris-brun sombre inodore
Propriétés chimiques
Formule brute CTaTaC
Masse molaire[1] 192,9586 ± 0,0008 g/mol
C 6,22 %, Ta 93,78 %,
Propriétés physiques
fusion 3 880 °C (TaC)[2],[3]
3 327 °C (Ta2C)[3]
ébullition 4 780 °C(TaC)[3]
Solubilité insoluble dans l'eau, soluble dans un mélange HF-HNO3[3]
Précautions
Directive 67/548/EEC[2]
Facilement inflammable
F


Transport[2]
-
   3178   
SGH[2]
SGH02 : Inflammable
Attention
H228, P210, P240, P241, P280,
Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire.

Le carbure de tantale est une famille de composés binaires (en) de carbone et de tantale ayant la formule chimique générique TaCx, où x est généralement compris entre 0,4 et 1 ; x = 0.5 correspond ainsi au carbure de tantale(II) Ta2C, encore appelé monocarbure de ditantale, tandis que x = 1 correspond au carbure de tantale(IV).

Ce sont des céramiques réfractaires extrêmement dures et cassantes dotées d'une conductivité électrique de type métallique. Ces matériaux se présentent comme des poudres gris-brun sombres habituellement traitées par frittage. Ce sont des constituants importants de matériaux cermet (en) qui sont employés commercialement dans divers outillages utilisés en découpage des métaux et sont parfois ajoutés aux alliages de carbure de tungstène[4].

La température de fusion des carbures de tantale atteint un maximum aux environs de 3 880 °C en fonction des conditions de mesure et de la pureté des échantillons. Cette valeur est parmi les plus élevées connues pour des composés binaires[5],[6]. Seul le carbure de tantale-hafnium présente une température de fusion sensiblement plus élevée, de l'ordre de 4 215 °C, tandis que la température de fusion du carbure d'hafnium est comparable à celle du carbure de tantale.

On obtient les matériaux de composition TaCx souhaitée à partir d'un mélange de tantale et de graphite pulvérulents chauffé sous vide ou sous atmosphère inerte (argon) à 2 000 °C à l'aide d'un four industriel ou à arc électrique[7],[8]. Un autre procédé consiste à réduire l'oxyde de tantale(V) Ta2O5 par le carbone sous vide ou sous atmosphère d'hydrogène à une température de 1 500 à 1 700 °C ; ce procédé a été utilisé en 1876 pour produire du carbure de tantale, mais ne permet pas de contrôler la stœchiométrie du produit.

Les liaisons entre atomes de carbone et de tantale dans les carbures de tantale sont des mélanges complexes de liaisons ioniques, liaisons métalliques et liaisons covalentes. La forte contribution de ces dernières confère à ces matériaux leur nature très dure et cassante. Le TaC a ainsi une microdureté de 1 600 à 2 000 kg·mm-2 (environ 9 sur l'échelle de Mohs) et un module d'élasticité de 285 MPa, alors que les valeurs correspondantes pour le tantale pur sont de 110 kg·mm-2 et 186 MPa.

La dureté, la limite d'élasticité et de contrainte de cisaillement, ainsi que la sensibilité de ces valeurs à la température, augmentent avec le taux x de carbone. TaC est un supraconducteur dont la température critique vaut 10,35 K[9].

Les propriétés magnétiques de TaCx sont diamagnétiques pour x ≤ 0,9 et deviennent paramagnétiques pour x > 0,9. Le carbure d'hafnium présente le comportement inverse bien qu'il partage la même structure cristalline que le carbure de tantale[10].

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Masse molaire calculée d’après « Atomic weights of the elements 2007 », sur www.chem.qmul.ac.uk.
  2. a, b, c et d Carbure de tantale, page consultée le 13 octobre 2013 sur le site Alfa Aesar
  3. a, b, c et d (en) Physical Constants of Inorganic Compounds in Lide, D. R., ed. (2005). CRC Handbook of Chemistry and Physics (86e édition), p. 4-44, CRC Press, Boca Raton, États-Unis. (ISBN 0-8493-0486-5).
  4. (en) John Emsley, « Nature's building blocks: an A-Z guide to the elements », Oxford University Press (11 August 2003), pp. 421-. (ISBN 978-0-19-850340-8). Consulté le 2 mai 2011.
  5. La valeur de 4 000 °C publiée pour le TaC0,89 ne repose pas sur une mesure physique mais sur une extrapolation du diagramme de phase en référence au carbure de niobium (en) NbC — voir Emeléus à ce sujet.
  6. (en) Harry Julius Emeléus, « Advances in Inorganic Chemistry and Radiochemistry », Academic Press (1968), pp. 174–176. (ISBN 978-0-12-023611-4). Consulté le 3 mai 2011.
  7. (en) Bertil Lönnberg, Torsten Lundström et Roland Tellgren, « A neutron powder diffraction study of Ta2C and W2C », Journal of the Less Common Metals, vol. 120, no 2,‎ 15 juin 1986, p. 239-245 (lire en ligne) DOI:10.1016/0022-5088(86)90648-X
  8. (en) Erwin RUDY, C. E. BRUKL et Stephan WINDISCH, « Constitution of Ternary Ta-Mo-C Alloys », Journal of the American Ceramic Society, vol. 51, no 5,‎ mai 1968, p. 239-250 (lire en ligne) DOI:10.1111/j.1151-2916.1968.tb13850.x
  9. (en) V. Valvoda, « X-ray diffraction study of Debye temperature and charge distribution in tantalum monocarbide », physica status solidi (a), vol. 64, no 1,‎ 16 mars 1981, p. 133-142 (lire en ligne) DOI:10.1002/pssa.2210640114
  10. (en) Aleksandr Ivanovich Gusev, Andreĭ Andreevich Rempel et Andreas J. Magerl, « Disorder and order in strongly nonstoichiometric compounds: transition metal carbides, nitrides, and oxides », Springer (2001), pp. 513–516. (ISBN 978-3-540-41817-7). Consulté le 3 mai 2011.