Самий жароміцний метал. Тугоплавкі метали - опис, вироби з тугоплавких Ме. Цирконій і його сплави


визначення « тугоплавкі метали»Не вимагає додаткових пояснень в силу вичерпної інформативності самого терміна. Єдиним нюансом залишається гранична температура плавлення, після якої речовина можна вважати тугоплавким.

Розбіжності в критичному параметрі

Одні джерела встановлюють порогову величину як 4000 F. У перекладі на звичну шкалу це дає 2204 0 С. Згідно з цим критерієм, до жароміцних належать тільки п'ять елементів:, і. Наприклад, температура плавлення вольфраму становить 3422 0 С.

Відео - плавка вольфраму водневої пальником

Інше твердження дозволяє розширити клас температуростойкостью матеріалів, оскільки приймає за точку відліку температуру плавлення заліза - 1539 0 С. Це дозволяє збільшити список ще на дев'ять елементів, включивши в нього титан, хром, іридій, цирконій, гафній, родій, рутеній і осмій.

Існує ще кілька порогових величин температури, однак вони не набули широкого поширення.

Порівняльна таблиця ступеня тугоплавкости чистих металів

Слід зазначити, що тугоплавкі матеріали не обмежуються виключно металами. До цієї категорії відноситься ряд з'єднань - сплави і леговані метали, розроблених, щоб поліпшити певні характеристики вихідного матеріалу. Щодо чистих елементів, можна привести наочну таблицю ступеня їх температурної стійкості. Очолює її найтугоплавкіший метал, відомий на сьогодні, - вольфрам з температурою плавлення 3422 0 С. Така обережна формулювання пов'язана зі спробами виділити метали, що володіють порогом розплаву, що перевершує вольфрам. Тому питання, який метал найтугоплавкіший, може в майбутньому отримати зовсім інше визначення.

Порогові величини інших з'єднань наведені нижче:

  • реній 3186;
  • 3027;
  • тантал 3014;
  • молібден 2623;
  • ніобій 2477;
  • 2446;
  • рутеній 2334;
  • 2233;
  • родій 1964;
  • ванадій 1910;
  • хром 1907
  • 1855;
  • 1668.

Залишається додати ще один цікавий факт, що стосується фізичних властивостей жапропрочних елементів. Температура плавлення деяких з них чутлива до чистоти матеріалу. Яскравим прикладом цього виступає хром, температура плавлення якого може варіюватися від 1513 до 1920 0 С, в залежності від хімічного складу домішок. Тому, дані інтернет простору часто різняться точними цифрами, проте якісна складова від цього не страждає.

Хром в чистому вигляді

Загальні властивості жароміцних матеріалів

Відносна схожість фізико-хімічних характеристик даних елементів, обумовлена \u200b\u200bспільністю атомної будови і тим, що вони виявляються перехідними металами. Навпаки, відмінності у властивостях, пов'язані з їх приналежністю до широкого спектру груп Періодичної таблиці: IV - VII.

Базова загальна характеристика тугоплавких матеріалів - міцні міжатомні зв'язку. Для їх розриву потрібна висока енергія, яка і обумовлює температуру плавлення в тисячі градусів за Цельсієм. додатково, дане властивість позначається на високих значеннях таких параметрів тугоплавких металів, як: твердість, механічна міцність, електричний опір.

Наступна характеристика, що об'єднує дані елементи, - висока хімічна активність. Вона пов'язана із загальною тенденцією тугоплавких металів утворювати хімічні зв'язки за допомогою вільної p- і частково заповненою d-орбіталі, віддаючи електрони з зовнішніх рівнів s і d. Це властивість ускладнює отримання чистих тугоплавких металів, розбиваючи технологічне виробництво на кілька етапів.

Будова жароміцних елементів також ідентично, всі вони характеризуються об'ємно-центрованої кубічної кристалічною решіткою. Для цієї структури характерно «охрупчивание». Виняток становить реній, що володіє гексагональної осередком. Перехід в крихке стан для кожного металу відбувається при певній температурі, регулювання якої досягається за допомогою легування.

Кожен тугоплавкий метал, за визначенням жароміцний, проте не будь-який з них жаростійкий. Більшість тугоплавких металів стійкі до окислення і дії агресивних середовищ: кислоти, луги; в звичайних умовах. Однак, з підвищенням температури до 400 0 С їх активність аномально зростає. Це вимагає створення певних умов експлуатації. Тому, вироби з тугоплавких металів, при підвищених температурах використання, часто поміщають в атмосферу інертних газів або домагаються ступеня розрідженості повітря до умов вакууму.

Отримання тугоплавких матеріалів

Як зазначалося раніше, основною перешкоджає фактор виробництва жароміцних металів їх висока хімічна активність, що перешкоджає виділенню елементів в чистому вигляді.

Основною технологією отримання залишається порошкова металургія. Дана методика дозволяє отримувати порошки тугоплавких металів різними способами:

  1. Відновлення триоксидом водню. Процес проводиться в кілька етапів, всередині многотрубний печей при 750 - 950 ° С. Технологія застосовна під порошки тугоплавких металів: вольфрам і молібден.
  2. Відновленням воднем перрената. Схема реалізується у виробництві металевого ренію. Робочі температури становлять близько 500 ° С. Заключна стадія передбачає відмивання порошку від лугу. Для цього послідовно використовується гаряча вода і розчин соляної кислоти.
  3. Використання солей металів. Технологія розвинена для виділення молібдену. Основною сировиною виступає амонійна сіль металу і його металевий порошок, що вводиться в суміш на рівні 5 - 15% від маси. Склад проходить термічну обробку 500 - 850 ° С в проточному інертному газі. Відновлення металу проходить в атмосфері водню при температурах 800 - 1000 ° С.

Виробництво тугоплавких металів - порошкова металургія

Екскурсія на виробництво

Способи отримання жароміцних металів продовжують удосконалюватися, як і хімічна технологія тугоплавких неметалевих і силікатних матеріалів, що пов'язано з розвитком ядерної енергетики, авіабудування, появою нових моделей ракетних двигунів.

Одне з найбільших підприємств з виробництва вольфраму на території РФ - Унечського завод тугоплавких металів. Цей підприємство відносно молоде, будівництво його почалося в 2007 році на території населеного пункту Унеча. Виробничий акцент заводу спрямований на порошки тугоплавких металів, точніше вольфраму і його карбідів.

Надалі, для отримання злитків розсипчасту масу спекают або здавлюють пресом. Подібним чином порошки тугоплавких металів обробляються для виробництва жароміцних виробів.

Застосування тугоплавких матеріалів

Застосування чистих жароміцних металів має пріоритети по ряду напрямків:

  • надзвукова авіація;
  • виробництво космічних кораблів;
  • виготовлення керованих снарядів, ракет;
  • електронна і вакуумна техніка.

Космічна промисловість

Останній пункт зачіпає електроди електровакуумних радіоламп. Наприклад, Високочистий ніобій використовується для виробництва сіток, трубок електронних деталей. Також з нього виготовляються електроди - аноди електровакуумних приладів.

електровакуумні радіолампи

Аналогічне застосування властиво молібдену, вольфраму. Ці метали в чистому вигляді використовуються не тільки як нитки розжарювання, а й під електроди радіоламп, гачки, підвіски електровакуумного устаткування. Монокристали вольфраму, навпаки, експлуатуються як підігрівачі електродів, зокрема катодів, а також при виготовленні електричних контактів, запобіжників.

Чисті ванадій і ніобій використовуються в ядерній енергетиці, де їх них виготовлені труби атомних реакторів, Оболонки тепловиділяючих елементів. Область застосування високочистого танталу - хімія (посуд і апаратура), оскільки метал має високу стійкість до корозії.

Окремо слід розглядати тугоплавкий припой, оскільки він не містить металів, що мають високі температури плавлення. Наприклад, тугоплавкое олово не містить порошки тугоплавких металів. Як добавки тут використовуються мідь, срібло, нікель або магній.

Тугоплавкі метали і сплави затребувані як прокат, так і в інших сферах. Зокрема, застосування сплавів обумовлено здатністю, модифікувати певні властивості металу: знизити температуру крихкості, поліпшити жаропорочние характеристики.

Прокат з тугоплавких металів досить широкий за асортиментом і включає:

  • листи;
  • смуги звичайні і для глибокої витяжки;
  • фольгу;
  • труби;
  • дріт і прутки.

Термоелектродний дріт вольфрам-рениевая

Найбільш великим вітчизняним виробником даного типу продукції виступає досвідчений завод тугоплавких металів і твердих сплавів.

Відео - тугоплавкі метали

Використовуючи потужні комп'ютерні моделі, дослідники з Університету Брауна визначили матеріал з температурою плавлення вище, ніж у будь-якого з відомих речовин. Розрахунки показують, що матеріал, виготовлений з гафнію, азоту та вуглецю матиме температуру плавлення більше ніж 4400 К. Це приблизно дві третини від температури на поверхні Сонця і на 200 К вище, ніж найвища точка плавлення з коли-небудь зареєстрованих в ході експерименту .

Раніше було експериментально доведено, що рекордною температурою плавлення має речовина з елементів гафнію, танталу, і вуглецю (HF-Та-C) .Розрахунок, представлені в журналі Physical Review B, показали, що матеріал, виготовлений з певним складом з гафнію, азоту та вуглецю (HF-NC) матиме температуру плавлення більше 4400 К, що на 200 К вище, ніж експериментальний результат. Проведені розрахунки показують, що оптимальний склад матеріалу з гафнію, азоту та вуглецю - HfN 0.38 C 0.51. Наступним кроком дослідників стане синтез матеріалу для підтвердження висновків лабораторії.

"Перевагою обчислювального підходу є те, що можна з невеликими витратами побачити багато різних комбінацій і знайти ті, які стоять експерименту в лабораторії," - сказав Аксель ван де Валле, співавтор дослідження.

Дослідники використовували обчислювальний метод, при якому температура плавлення розраховується шляхом моделювання фізичних процесів на атомному рівні, дотримуючись закону квантової механіки. Динаміка плавлення вивчається на нанорівні, в блоках близько 100 атомів. Дослідники почали з аналізу матеріалу HF-Та-C, для якого точка плавлення вже визначена експериментально. Моделювання змогло прояснити деякі з факторів, які вносять вклад в здатність матеріалу витримувати тепло.

Робота показала, що в HF-Та-С поєднується висока теплота плавлення (енергія виділяється або поглинається, коли він переходить з твердого стану в рідке) з невеликою різницею між ентропією твердої і рідкої фаз.

Потім дослідники використовували ці висновки для пошуку сполук, які можуть максимально відповідати таким вимогам. Вони виявили, що з'єднання гафнію, азоту та вуглецю матиме аналогічну високу температуру плавлення, але меншу різницю між ентропією твердої речовини і рідини. Коли вони розрахували точку плавлення, вона вийшла на 200 К вище, ніж отримана в експерименті для HF-Та-C.

Температури плавлення Та-HF-C-N сплавів. Зафарбовані гуртки позначають розраховані температури плавлення в системах HF-C і Hf-C-N, а незафарбовані гуртки показують дані для системи Та-HF-C для порівняння.

Робота в кінцевому підсумку може вказати на нові високоякісні матеріали для різних застосувань, від покриттів для газових турбін до деталей високошвидкісних літаків. Чи стане чи ні цим новим матеріалом HfN 0.38 C 0.51 поки не ясно, кажуть дослідники.

Використання металів в повсякденному житті почалося на зорі розвитку людства, і першим металом була мідь, оскільки є доступною в природі і легко піддається обробці. Недарма археологи під час розкопок знаходять різні вироби і домашнє начиння з цього металу. В процесі еволюції люди поступово вчилися поєднувати різні метали, отримуючи все більш міцні сплави, придатні для виготовлення знарядь праці, а пізніше і зброї. У наш час тривають експерименти, завдяки яким можна виявити найміцніші метали в світі.

  • висока питома міцність;
  • стійкість до високих температур;
  • низька щільність;
  • корозійна стійкість;
  • механічна і хімічна стійкість.

Титан застосовується у військовій промисловості, медицині авіації, суднобудуванні, і інших сферах виробництва.

Найвідоміший елемент, який вважається одним з найміцніших металів в світі, і в нормальних умовах являє собою слабкий радіоактивний метал. У природі знаходиться як у вільному стані, так і в кислих осадових породах. Він досить важкий, широко поширений повсюдно і має парамагнітні властивості, гнучкістю, ковкістю, і відносної пластичністю. Уран застосовується в багатьох сферах виробництва.

Відомий як самий тугоплавкий метал з усіх існуючих, і відноситься до найбільш міцним металам в світі. Являє собою твердий перехідний елемент блискучого сріблясто-сірого кольору. Володіє високою міцністю, відмінною тугоплавкостью, стійкістю до хімічних впливів. Завдяки своїм властивостям піддається куванні, і витягується в тонку нитку. Відомий як вольфрамової нитки розжарювання.

Серед представників цієї групи вважається перехідним металом високої щільності сріблясто-білого кольору. У природі зустрічається в чистому вигляді, проте зустрічається в молібденовому і мідному сировину. Відрізняється високою твердістю і щільністю, і має відмінну тугоплавкость. Має підвищену міцність, яка не губиться при багаторазових перепадах температур. Реній відноситься до дорогим металів і має високу вартість. Використовується в сучасній техніці і електроніці.

Блискучий сріблясто-білий метал зі злегка блакитним відливом, відноситься до платинової групи і вважається одним з найміцніших металів в світі. Аналогічно іридію має високу атомну щільність високу міцність і твердість. Оскільки осмій відноситься до платинових металів, має схожі з іридію властивості: тугоплавкость, твердість, крихкість, стійкість до механічних впливів, а також до впливу агресивних середовищ. Знайшов широке застосування в хірургії, електронної мікроскопії, хімічної промисловості, Ракетній техніці, електронної апаратури.

Відноситься до групи металів, і являє собою елемент світло-сірого кольору, що володіє відносною твердістю і високою токсичністю. Завдяки своїм унікальним властивостям берилій застосовується в самих різних сферах виробництва:

  • ядерній енергетиці;
  • аерокосмічній техніці;
  • металургії;
  • лазерної техніки;
  • атомній енергетиці.

Через високу твердості берилій використовується при виробництві легуючих сплавів, вогнетривких матеріалів.

Наступним в десятці найміцніших металів в світі є хром - твердий, високоміцний метал голубувато-білого кольору, стійкий до впливу лугів і кислот. У природі зустрічається в чистому вигляді і широко застосовується в різних галузях науки, техніки і виробництва. Хром Використовується для створення різних сплавів, які використовуються при виготовленні медичного, а також хімічного технологічного обладнання. У поєднанні з залізом утворює сплав ферохром, який використовується при виготовленні металорізальних інструментів.

Бронзу в рейтингу заслуговує тантал, оскільки є одним з найміцніших металів в світі. Він являє собою сріблястий метал з високою твердістю і атомної щільністю. Завдяки утворенню на його поверхні оксидної плівки, має свинцевий відтінок.

Відмінними властивостями танталу є висока міцність, тугоплавкі, стійкість до корозії, впливу агресивних середовищ. Метал є досить пластичним металом і легко піддається механічній обробці. Сьогодні тантал успішно використовується:

  • в хімічній промисловості;
  • при спорудженні ядерних реакторів;
  • в металургійному виробництві;
  • при створенні жароміцних сплавів.

Другий рядок рейтингу найміцніших металів в світі займає рутеній - сріблястий метал, що належить до платинової групи. Його особливістю є наявність у складі м'язової тканини живих організмів. Цінними властивостями рутенію є висока міцність, твердість, тугоплавкі, хімічна стійкість, здатність утворювати комплексні сполуки. Рутеній вважається каталізатором багатьох хімічних реакцій, виступає в ролі матеріалу для виготовлення електродів, контактів, гострих наконечників.

Рейтинг найміцніших металів в світі очолює саме іридій - сріблясто-білий, твердий і тугоплавкий метал, який відноситься до платинової групи. У природі високоміцний елемент зустрічається вкрай рідко, і часто входить в з'єднання з осмієм. Через своєю природною твердості він погано піддається механічній обробці і має високу стійкість до впливу хімічний речовин. Іридій з великими труднощами реагує на вплив галогенів і перекису натрію.

Цей метал грає важливу роль в повсякденному житті. Його додають до титану, хрому і вольфраму для поліпшення стійкості до кислих середах, застосовують при виготовленні канцелярських приналежностей, використовують в ювелірній справі для створення ювелірних виробів. Вартість іридію залишається високою через обмеженої присутності в природі.

До тугоплавким відносяться метали з температурою плавлення вище 1700° С: вольфрам, молібден, тантал, ніобій, хром, цирконій, реній. Найчастіше їх отримують методами порошкової металургії з використанням електровакуумних технологій виплавки та очищення.

Застосування тугоплавких металів:

вироби електровакуумної техніки;

нагрівальні елементи;

випарники в установках термічного осадження для отримання тонких високопровідного і резистивних плівок;

тонкоплівкові резистори;

термопари для вимірювання високих температур.

Все тугоплавкі метали при нагріванні на повітрі до температур вище 600 ° С інтенсивно окислюються з утворенням летючих оксидів. Тому в якості нагрівальних елементів вони працюють в вакуумі або в захисній інертному середовищі, наприклад в аргоні. Тугоплавкі метали мають мізерно малий тиск насичених парів - важлива якість для матеріалу випарника при отриманні тонких плівок.

Вольфрам (W) - найбільш тугоплавкий з усіх металів (Тпл \u003d 3400 ° С), має високу твердість, хорошу провідність

(Ρ \u003d 0,055 мкОм · м).

Вольфрам - один з найважливіших матеріалів електровакуумної техніки. Завдяки волокнистої структурі, що купується в результаті обробки куванням та волочінням, тонка вольфрамова дріт діаметром до 0,01 мм володіє високою гнучкістю. Вольфрам - основний матеріал для виготовлення ниток ламп розжарювання. Однак дріт і спіралі з чистого вольфраму при високих температурах стають крихкими внаслідок процесів рекристалізації, що супроводжуються інтенсивним зростанням зерна до розмірів поперечного перерізу дроту. Для поліпшення властивостей чистого вольфраму в нього вводять різні присадки. Оксид торію Th2 O3 уповільнює процес рекристалізації і перешкоджає росту зерна, добавки оксидів кремнію SiO2 і алюмінію Al2 O3 покращують формостійкість вольфрамової дроту. В електро-

тровакуумном виробництві застосовують вольфрам марок ВА (з кремені-алюмінієвої присадкою) і ВТ (з присадкою оксиду торію).

З вольфраму виготовляють катоди високої напруги потужних генераторних ламп, рентгенівських трубок з робочою температурою 2200 ... 2800 К. Вольфрамові катоди мають стабільної емісією електронів і здатністю працювати в високому вакуумі. Катоди з торійованого вольфраму ВТ мають більш високі емісійні властивості.

Вольфрам має найменшим температурним коефіцієнтом лінійного розширення серед усіх чистих металів (αl \u003d

4,4 10-6 К-1). Ця властивість використовується для виготовлення термічно стійких спаев вольфраму з тугоплавкими стеклами.

Вольфрам і його сплави з молібденом, іридію, ренієм використовують також для нагрівальних елементів, що працюють при температурах вище 1200 ° С, і для високотемпературних термопар. Завдяки високій твердості, дугостійкості, електроерозійної стійкості і низької зварюваності вольфрам широко використовується в високонавантажених розривних контактах.

Молібден (Mo) - аналог вольфраму, але дещо менш тугоплавкий (Т пл \u003d 2620 ° С) і менш твердий. Відпалений молібден з дрібнозернистою структурою значно пластичнее вольфраму, він широко використовується для різних деталей складної конфігурації. Серед усіх тугоплавких металів молібден має найменшим питомим опором (ρ \u003d 0,05 мкОм · м).

Молібден використовується для нагрівальних елементів у високотемпературних (до 1700 ° С) електричних печах, що працюють в захисній атмосфері. З молібдену виготовляють сітки і електроди електронних ламп та інші допоміжні деталі електровакуумних приладів (гачки, нитки, підвіски), що працюють в напруженому тепловому режимі.

Велике практичне значення мають сплави вольфраму з молібденом, Які утворюють структуру твердого розчину в усьому діапазоні концентрацій. Сплави, що містять 45% Мо, мають максимальним питомим опором і твердістю, високою ерозійної стійкістю. Їх застосовують для високонавантажених контактів в захисному середовищі. W-Mo-сплави використовують також

для ниток розжарювання електроламп і катодів підігріву, так як вони мають більш високі механічні властивості, ніж чистий вольфрам, хоча і більш низькі допустимі робочі температури.

Реній (Re) - рідкісний і важкий метал з температурою плавлення, близької до температури плавлення вольфраму (Т пл \u003d 3180 ° С). Реній твердий і міцний, як вольфрам, і пластичний, як молібден, має високий питомий опір (ρ \u003d 0,214 мкОм · м), стійкий до дузі постійного струму. Реній часто застосовують в сплавах для високонавантажених розривних контактів, наприклад, сплави W + 15 ... 20% Re відрізняються підвищеною зносостійкістю.

Реній і його сплави з вольфрамом застосовують у виробництві електровакуумних приладів замість вольфраму, так як він менше випаровується в атмосфері водню, відрізняється більш тривалим терміном служби. Re- і W-Re-сплави використовуються для термопар до 2500 ... 2800 ° С в захисному середовищі.

В радіоелектроніці реній застосовують для захисту від корозії

і зносу деталей з міді, вольфраму і молібдену. Тонкі плівки ренію використовуються для прецизійних резисторів в інтегральних схемах.

Тантал (Та) по тугоплавкости кілька поступається вольфраму (Т пл \u003d 3000 ° С), але значно перевершує його по пластичності, що дозволяє виготовляти фасонні деталі, дріт і фольгу товщиною до 10 мкм. Тантал утворює на поверхні щільну оксидну плівку ТА 2 ПРО5, стійку до температури 1500 ° С. Це властивість використовується при виробництві електролітичних і тонкоплівкових конденсаторів високої питомої ємності, одержуваних шляхом анодного оксидування.

Тантал широко використовується в електровакуумної техніці для відповідальних деталей: анодів і сіток генераторних ламп, катодів розжарювання. Завдяки своїй здатності поглинати гази в діапазоні температур 600 ... 1200 ° С, тантал застосовують у вакуумній апаратурі як стабілізатор високого вакууму (геттера). Тантал використовується також в тонкоплівкових технологіях при виробництві резисторів. На повітрі відбувається активне розчинення азоту в танталовой плівці з утворенням нитридной плівки ТА 2 N, що володіє високою стабільністю властивостей.

Ніобій (Nb) - метал, близький за властивостями до танталу, але більш легкоплавкий (Т пл \u003d 2500 ° С), має високу газопоглощающей здатністю в температурному інтервалі 400 ... 900 ° С. Тому в електровакуумних приладах деталі з ніобію одночасно виконують функції геттера. У ніобію серед усіх тугоплавких металів найменша робота виходу електронів, його застосовують в якості катодів розжарювання в потужних генераторних лампах. Серед всіх хімічних елементів ніобій має найвищу критичною температурою переходу в надпровідний стан (Т св \u003d \u003d 9,2 К). Тому ніобій, як і тантал (Т св \u003d 4,5 К), застосовують в кріогенної техніки.

Хром (Cr) має порівняно невисокою температурою плавлення (Т пл \u003d 1900 ° С) в порівнянні з іншими тугоплавкими металами, але на противагу іншим металам цієї групи є досить поширеним в земній корі. його відмінна особливість - висока стійкість до окислення, тому хром використовується для захисних покриттів виробів (хромування), в тому числі експлуатованих при підвищених температурах.

Хром має гарну адгезійною здатністю до скла, кераміки, ситалів і добре сумісний з іншими провідними матеріалами. Тому технологія осадження тонких плівок хрому на підкладку широко використовується в мікроелектроніці при виготовленні резисторів, адгезійних підшарів для контактних майданчиків

і струмопровідних з'єднань.

2.2.5. Надпровідні метали і сплави

надпровідність- це стан речовини, що характеризується відсутністю електричного опору. Надпровідність спостерігається у ряду металів і сплавів при температурах, близьких до абсолютного нуля. Температура переходу в сверхпрово-

дящее стан називається критичною температурою надпровідності-Т св.

При температурі нижче Т св електричний струм, наведений в надпровідному контурі, буде циркулювати нескінченно довго, не зменшуючись, за умови підтримки низької температури. питомої

ве опір матеріалу в надпровідного стану складає близько 10-25 Ом · м, що в 1017 разів менше, ніж у міді.

Фізична природа надпровідності. Вперше явище надпровідності було виявлено у ртуті (Т св \u003d 4,2 К) голландським фізиком Камерлінком-Онессом в 1911 р Сучасна теорія надпровідності, заснована на квантових уявленнях, була запропонована в 1957 р американськими вченими Бардіним, Купером і Шріффером. Значний внесок у розвиток теорії надпровідності внесли роботи радянського академіка М. М. Боголюбова.

У металі вільні електрони, які рухаються в середовищі позитивно заряджених іонів, взаємодіють з тепловими коливаннями решітки, обмінюючись з нею квантами теплової енергії - фононами, при цьому електрони можуть поглинати або віддавати енергію, тобто змінювати свій імпульс. Обмін фононами між електронами за участю решітки відбувається безперервно. В результаті обмінного фононної взаємодії пара електронів з різними імпульсами і антипаралельними спинами відчувають взаємне притягання і утворюють так звану куперовской пару.

Розглянемо спрощену схему (рис. 9). Електрон 1, що рухається між іонами, притягує найближчі іони, створюючи по траєкторії руху локальну зону підвищеної щільності позитивного заряду. Електрон 2, що рухається слідом за першим, притягається цією зоною. В результаті, у спосіб, через решітку, між електронами виникають сили тяжіння. Сили тяжіння невеликі, парні освіти слабо локалізовані в просторі, вони постійно розпадаються і створюються, утворюючи електронний конденсат.

При низьких температурах (<Т св ) энергия тепловых колебаний решетки чрезвычайно мала и спаренные электроны не рассеиваются на дефектах структуры. Особенность куперовских пар - их импульсная упорядоченность. Электронные волны, описывающие движение пар, имеют одинаковую длину и фазу. Фактически движение всех электронных пар можно рассматривать как распространение одной электронной волны, которая не рассеивается решеткой, «обтекает» дефекты структуры.

Мал. 9. Схема освіти електронних пар в надпровіднику

При температурі абсолютного нуля всі електрони, розташовані поблизу рівня Фермі, пов'язані в пари. При підвищенні температури частина електронних пар розпадається. Неспарені електрони переходять з основних рівнів на порушені, і їх рух ускладнюється розсіюванням на дефектах структури. При температурі Т св відбувається повний розрив всіх куперовских пар, і стан надпровідності зникає.

Надпровідники володіють специфічними магнітними властивостями. Оскільки електрони з протилежно спрямованими спинами пов'язані в пари, результуючий спіновий момент пари дорівнює нулю, і надпровідник стає ідеальним діамагнетиком. Як всякі Діамагнетик, надпровідники виштовхуються з магнітного поля. Зовнішнє магнітне поле абсолютно не проникає в товщину зразка, затухаючи в найтоншому поверхневому шарі (10-7 ... 10-8 м). Ефект виштовхування виражений настільки сильно, що за допомогою магнітного поля можна утримувати постійний магніт над кільцем з надпровідного матеріалу. Однак стан надпровідності може бути зруйновано, якщо напруженість магнітного поля перевищить деяке критичне значення св.

В даний час відомо більше 30 металів, що володіють надпровідністю при кріогенних температурах, і більше 1000

надпровідникових сплавів і хімічних сполук різних елементів. Параметри деяких надпровідникових матеріалів представлені в табл. 5.

Таблиця 5

Властивості надпровідних матеріалів

Сверхпровод-

критична

Сверхпровод-

критична

температура Т св,

температура Т св,

елементарні:

Хімічні сполуки:

V3 Ga

V3 Si

Nb3 Sn

Nb3 Ga

Nb3 Ge

За характером переходу матеріалу з надпровідного стану в стан звичайної електропровідності під дією магнітного поля розрізняють надпровідники I і II роду. У надпровідників I родуцей перехід відбувається стрибкоподібно, як тільки напруженість поля досягне критичної позначки. Надпровідники II родупереходять з одного стану в інший поступово. Більшість чистих металів є сверхпроводниками I роду з критичними температурами переходу нижче 4,2 К.

До надпровідників II роду з чистих металів можна віднести ніобій і ванадій. З усіх елементів, здатних переходити в надпровідний стан, найвищу критичну температуру переходу має ніобій - 9,4 К. До надпровідників II роду відносяться всі інтерметаллідним з'єднання і сплави. Найбільш високими критичними параметрами (значеннями температури переходу, критичної напруженості магнітного поля і допустимих струмів) мають сплави і сполуки ніобію. Наприклад, по дроті з станід ніобію Nb3 Sn в полях з індукцією приблизно 10 Тл можна пропускати струм з густиною вище 109 А / м2 (103 А / мм2). Практичне використання знайшли надпровідні сплави з високим вмістом ніобію: 65БТ (63 ... 68% Nb + 22 ... 26% Ti +

8,5 ... 11,5% Zr) і 35БТ (60 ... 64% Ti + 33,5 ... 36,5% Nb + 1,7 ... 4,3% Zr).

Наприклад, сплав 65БТ має критичне значення щільності струму

2,8. 106 А / м2.

У 1986 р було виявлено явище високотемпературної надпровідності, якою володіють деякі види кераміки на основі рідкоземельних металів з характерним розташуванням атомів. Наприклад, з'єднання лантану La2 -xМхСuО4 (де М \u003d Ва, Sr) переходять в надпровідний стан при температурі, близької до температури рідкого азоту. У сплавах ітрію YВа2 Сu3 О7 перехід в надпровідний стан відбувається при температурі - 173 ° С і вище.

Розробляються нові матеріали, що володіють більшою щільністю струму і більш високою температурою переходу в надпровідний стан. Перспективними в цьому відношенні є так звані вісмутові системи з хімічною формулою Bi2 Sr2 Са2 Сu2 Ох, температура переходу яких досягає -158 ° С.

Надпровідні елементи і пристрої знаходять все більш широке застосування в самих різних областях науки і техніки. Для досягнення надпровідного стану в цих пристроях використовується середу рідкого гелію або дешевший хладоагент - рідкий водень.

Одне з головних застосувань надпровідників пов'язано з отриманням надсильних магнітних полів напруженістю понад 107 А / м. Це дозволяє виготовляти обмотки потужних генераторів, електричних машин і трансформаторів з малою масою, розмірами і дуже високим ККД. В надпровідних системах не потрібно зовнішнє джерело живлення. Вони застосовуються також для кабелів потужних ліній електропередач, волноводов з малим загасанням, пристроїв пам'яті і управління. Надпровідники використовують для виготовлення потужних магнітів (наприклад, потяги на магнітній подушці), кріогенних гіроскопів, якір яких «плаває» в магнітному полі (опори без тертя).

Метали відносяться до найпоширеніших матеріалами нарівні зі склом і пластмасами. Вони використовуються людьми з давніх часів. На практиці люди пізнавали властивості металів і з вигодою використовували їх для виготовлення посуду, побутових предметів, різних споруд і творів мистецтва. Основною характеристикою цих матеріалів є їх тугоплавкость і твердість. Власне, від цих якостей залежить їх застосування в тій чи іншій області.

Фізичні властивості металів

Всі метали мають такими загальними властивостями:

  1. Колір - сріблясто-сірий з характерним блиском. Виняток становлять: мідь і золото. Вони відповідно виділяються червоним і жовтим відтінком.
  2. Агрегатний стан - тверде тіло, крім ртуті, яка є рідиною.
  3. Тепло- і електропровідність - для кожного виду металів виражається по-різному.
  4. Пластичність і гнучкість - змінюється параметр в залежності від конкретного металу.
  5. Температура плавлення і кипіння - встановлює тугоплавкость і легкоплавкость, володіє різними значеннями для всіх матеріалів.

Всі фізичні властивості металів залежать від будови кристалічної решітки, її форми, міцності і просторового розташування.

тугоплавкість металів

Цей параметр стає важливим, коли виникає питання про практичне застосування металів. Для таких важливих галузей народного господарства, як авіабудування, кораблебудування, машинобудування, основою є тугоплавкі метали і їх сплави. Крім цього, їх використовують для виготовлення високоміцного робочого інструмента. Литтям і виплавкою отримують багато важливі деталі і вироби. По міцності все метали діляться на тендітні і тверді, а по тугоплавкости їх підрозділяють на дві групи.

Тугоплавкі і легкоплавкі метали

  1. Тугоплавкі - їх температура плавлення перевищує точку плавлення заліза (1539 ° C). До них можна віднести платину, цирконій, вольфрам, тантал. Таких металів лише кілька видів. На практиці їх застосовується ще менше. Деякі не використовуються, так як вони мають високу радіоактивність, інші - занадто крихкі і не володіють потрібною м'якістю, треті - схильні до корозії, а є такі, що економічно невигідні. Який метал найтугоплавкіший? Якраз про це піде мова в даній статті.
  2. Легкоплавкие - це метали, які при температурі менше або дорівнює температурі плавлення олова 231,9 ° C можуть змінити свій агрегатний стан. Наприклад, натрій, марганець, олово, свинець. Метали застосовуються в радіо- та електротехніці. Їх часто використовують для антикорозійного покриття і в якості провідників.

Вольфрам - найтугоплавкіший метал

Це твердий і важкий матеріал з металевим блиском, світло-сірого кольору, що володіє високою тугоплавкостью. Механічній обробці піддається важко. При кімнатній температурі він є крихким металом і легко ламається. Викликано це забрудненням його домішками кисню і вуглецю. Технічно чистий вольфрам при температурі понад 400 градусів Цельсія стає пластичним. Виявляє хімічну інертність, погано вступає в реакції з іншими елементами. У природі вольфрам зустрічається у вигляді складних мінералів, таких як:

  • шеелит;
  • вольфрамит;
  • ферберит;
  • гюбнер.

Вольфрам отримують з руди, застосовуючи складні хімічні переробки, у вигляді порошку. Використовуючи методи пресування і спікання, виготовляють деталі простої форми і бруски. Вольфрам - дуже стійкий елемент до температурних впливів. Тому розм'якшити метал не могли протягом ста років. Чи не було таких печей, які могли б розігріватися до декількох тисяч градусів. Вчені довели, що самим тугоплавким металом є вольфрам. Хоча існує думка, що Сиборгом, з теоретичних даними, має більшу тугоплавкостью, але стверджувати твердо цього не можна, так як він радіоактивний елемент і має маленький термін існування.

історичні відомості

Знаменитий шведський хімік Карл Шеєле, який має професію аптекаря, в невеликій лабораторії, проводячи численні досліди, відкрив марганець, барій, хлор і кисень. А незадовго до смерті в 1781 році виявив, що мінерал тунгстен є сіллю невідомої тоді кислоти. Після двох років роботи його учні, два брата д'Елуяр (іспанські хіміки), виділили з мінералу новий хімічний елемент і назвали його вольфрамом. Тільки через сторіччя вольфрам - найтугоплавкіший метал - справжній переворот в промисловості.

Ріжучі властивості вольфраму

У 1864 році англійський вчений Роберт Мюшет використовував вольфрам як добавку легуючих до стали, яка витримувала червоне каління і ще більше збільшувала твердість. Різці, які виготовляли з отриманої стали, збільшили швидкість різання металу в 1,5 рази, і вона стала складати 7,5 метра в хвилину.

Працюючи в цьому напрямку, вчені отримували всі нові технології, збільшуючи швидкість обробки металу з використанням вольфраму. У 1907 році з'явилося нове з'єднання вольфраму з кобальтом і хромом, яке стало основоположником твердих сплавів, здатних збільшувати швидкість різання. В даний час вона зросла до 2000 метрів в хвилину, і все це завдяки вольфраму - самому тугоплавких металів.

застосування вольфраму

Цей метал має порівняно високу ціну і важко обробляється механічним способом, тому застосовують його там, де неможливо замінити іншими, подібними за властивостями матеріалами. Вольфрам прекрасно витримує високі температури, має значну міцність, наділений твердістю, пружністю і тугоплавкостью, тому знаходить широке використання в багатьох галузях промисловості:

  • Металургійної. Вона є основним споживачем вольфраму, який йде на виробництво високої якості легованих сталей.
  • Електротехнічній. Температура плавлення самого тугоплавкого металу становить майже 3400 ° C. Тугоплавкість металу дозволяє застосовувати його для виробництва ниток розжарювання, гачків в освітлювальних і електронних лампах, електродів, рентгенівських трубок, електричних контактів.

  • Машинобудівної. Завдяки підвищеній міцності сталей, що містять вольфрам, виготовляють цельнокование ротори, зубчасті колеса, колінчаті вали, шатуни.
  • Авіаційній. Який найтугоплавкіший метал використовують для отримання твердих і жароміцних сплавів, з яких роблять деталі авіаційних двигунів, електровакуумних приладів, нитки розжарювання? Відповідь проста - це вольфрам.
  • Космічної. З стали, що містить вольфрам, виробляють реактивні сопла, окремі елементи для реактивних двигунів.
  • Військової. Висока щільність металу дозволяє виготовляти бронебійні снаряди, кулі, броньовий захист торпед, снарядів і танків, гранати.
  • Хімічної. Стійка вольфрамова дріт проти кислот і лугів використовується для сіток до фільтрів. За допомогою вольфраму змінюють швидкість хімічних реакцій.
  • Текстильній. Вольфрамова кислота використовується як барвник для тканин, а вольфрамит натрію застосовують для виробництва шкіри, шовку, водостійких і вогнестійких тканин.

Наведений перелік використання вольфраму в різних областях промисловості показує на високу цінність цього металу.

Отримання сплавів з вольфрамом

Вольфрам, найтугоплавкіший метал в світі, часто використовують для отримання сплавів з іншими елементами для поліпшення властивостей матеріалів. Сплави, які містять вольфрам, як правило, отримують за технологією порошкової металургії, так як при загальноприйнятому способі все метали перетворюються в летючі рідини або гази при його температурі плавлення. Процес сплаву проходить у вакуумі або в атмосфері аргону, щоб уникнути окислення. Суміш, що складається з металевих порошків, пресують, спекают і піддають плавці. У деяких випадках тільки вольфрамовий порошок піддають пресуванню і спікання, а потім пористу заготовку насичують розплавом іншого металу. Сплави вольфраму з сріблом і міддю отримують саме таким способом. Навіть невеликі добавки самого тугоплавкого металу збільшують жаростійкість, твердість і стійкість до окислення в сплавах з молібденом, танталом, хромом і ніобієм. Пропорції в цьому випадку можуть бути абсолютно будь-якими в залежності від потреб промисловості. Більш складні сплави, що залежать від співвідношення компонентів з залізом, кобальтом та нікелем, мають такі властивості:

  • не тьмяніють на повітрі;
  • мають гарну хімічну стійкість;
  • мають відмінні механічні властивості: твердість і зносостійкість.

Досить складні з'єднання утворює вольфрам з берилієм, титаном і алюмінієм. Вони виділяються стійкістю при високій температурі до окислення, а також жароміцних.

властивості сплавів

У практичній діяльності вольфрам часто з'єднують з групою інших металів. З'єднання вольфраму з хромом, кобальтом та нікелем, що володіють підвищеною стійкістю до кислот, використовують для виготовлення хірургічних інструментів. А особливі жароміцні сплави, крім вольфраму - самого тугоплавкого металу, містять в своєму складі хром, нікель, алюміній, нікель. Вольфрам, кобальт і залізо входить до складу кращих марок магнітної стали.

Самі легкоплавкие і тугоплавкі метали

До легкоплавким відносяться всі метали, температура плавлення яких менше, ніж у олова (231,9 ° C). Елементи цієї групи знаходять застосування в якості антикорозійного покриття, в електро- і радіотехніці, входять до складу антифрикційних сплавів. Ртуть, точка плавлення якої -38,89 ° C, при кімнатній температурі є рідиною і знаходить широке застосування в наукових приладах, ртутних лампах, випрямлячах, перемикачах, в хлорному виробництві. У ртуті найнижча температура плавлення в порівнянні з іншими металами, що входять до групи легкоплавких. До тугоплавким металам належать всі, температура плавлення яких більше, ніж у заліза (1539 ° C). Найчастіше їх використовують в якості добавок при виготовленні легованих сталей, а також вони можуть служити і основою для деяких спеціальних сплавів. Вольфрам, що має максимальну температуру плавлення 3420 ° C, в чистому вигляді використовують в основному для ниток напруження в електроламп.

Досить часто в кросвордах задають питання, який з металів самий легкоплавкий або найтугоплавкіший? Тепер, не замислюючись, можна відповісти: самий легкоплавкий - ртуть, а найтугоплавкіший - вольфрам.

Коротко про залозі

Цей метал називають основним конструкційним матеріалом. Деталі з заліза зустрічаються як на космічному кораблі або підводному човні, так і вдома на кухні у вигляді столових приладів і різних прикрас. Цей метал має сріблясто-сірий колір, має м'якістю, пластичністю і магнітними властивостями. Залізо є дуже активним елементом, на повітрі утворюється оксидна плівка, яка перешкоджає продовженню реакції. У вологому середовищі з'являється іржа.

Температура плавлення заліза

Залізо має пластичністю, добре піддається куванні і погано обробляється литтям. Цей міцний метал легко обробляється механічним способом, використовується для виготовлення магнітопріводов. Хороша гнучкість дозволяє його застосовувати для декоративних прикрас. Чи є залізо самим тугоплавким металом? Слід зазначити, що його температура плавлення дорівнює 1539 ° C. А за визначенням, до тугоплавким відносяться метали, температура плавлення яких більше, ніж у заліза.

Однозначно можна сказати, що залізо - не самий тугоплавкий метал, і навіть не належить до цієї групи елементів. Він відноситься до среднеплавкого матеріалами. Назвіть найтугоплавкіший метал? Таке питання не застане тепер вас зненацька. Можна сміливо відповідати - це вольфрам.

замість висновку

Приблизно тридцять тисяч тонн в рік вольфраму виробляється в усьому світі. Цей метал неодмінно входить до складу найкращих сортів сталей для виготовлення інструментів. На потреби металургії витрачається до 95% усього виробленого вольфраму. Для здешевлення процесу в основному використовують більш дешевий сплав, що складається з 80% відсотків вольфраму і 20% заліза. Використовуючи властивості вольфраму, його сплав з міддю і нікелем застосовують для виробництва контейнерів, використовуваних під зберігання радіоактивних речовин. У радіотерапії цей же сплав служить для виготовлення екранів, забезпечуючи надійний захист.