أعلى نقطة انصهار للمعدن - أي المعادن يسهل صهرها (يفضل أن تكون خفيفة وقوية) بحيث يمكنك صهرها في المنزل. المعدن الأكثر صهرًا هو أعلى درجة انصهار للمعدن

باستخدام قوية نماذج الكمبيوترحدد باحثون من جامعة براون مادة ذات نقطة انصهار أعلى من أي مادة معروفة. تظهر الحسابات أن المادة المصنوعة من الهافنيوم والنيتروجين والكربون سيكون لها نقطة انصهار تزيد عن 4400 كلفن. وهذا يمثل حوالي ثلثي درجة الحرارة على سطح الشمس وأعلى بمقدار 200 كلفن من أعلى نقطة انصهار تم تسجيلها على الإطلاق في الأرض. تجربة. .

في السابق، تم التأكيد تجريبيًا على أن المادة المصنوعة من عناصر الهافنيوم والتنتالوم والكربون (HF-Ta-C) لها نقطة انصهار قياسية، وأظهرت الحسابات المقدمة في مجلة Physical Review B أن المادة المصنوعة من تركيبة معينة من سيكون للهافنيوم والنيتروجين والكربون (HF-N-C) نقطة انصهار تزيد عن 4400 كلفن، وهو أعلى بمقدار 200 كلفن من النتيجة التجريبية. الحسابات التي أجريت تظهر ذلك التكوين الأمثلمادة مصنوعة من الهافنيوم والنيتروجين والكربون - HfN 0.38 C 0.51. وستكون الخطوة التالية للباحثين هي تجميع المواد لتأكيد النتائج التي توصل إليها المختبر.

وقال أكسل فان دي والي، المؤلف المشارك للدراسة: "إن ميزة النهج الحسابي هي أنه يمكنك النظر بشكل فعال من حيث التكلفة إلى العديد من المجموعات المختلفة والعثور على تلك التي تستحق التجربة في المختبر".

واستخدم الباحثون طريقة حسابية يتم من خلالها حساب درجة الانصهار من خلال محاكاة العمليات الفيزيائية على المستوى الذري، باتباع قانون ميكانيكا الكم. تتم دراسة ديناميكيات الذوبان على المستوى النانوي، في كتل مكونة من حوالي 100 ذرة. بدأ الباحثون بتحليل المادة HF-Ta-C، والتي تم بالفعل تحديد نقطة انصهارها تجريبيًا. تمكنت عمليات المحاكاة من توضيح بعض العوامل التي تساهم في قدرة المادة على تحمل الحرارة.

أظهر العمل أن HF-Ta-C يجمع بين حرارة الاندماج العالية (الطاقة المنطلقة أو الممتصة عندما تتغير من الحالة الصلبة إلى السائلة) مع اختلاف بسيط بين إنتروبيا المرحلتين الصلبة والسائلة.

ثم استخدم الباحثون هذه النتائج للبحث عن المركبات التي قد تلبي هذه المتطلبات على أفضل وجه. ووجدوا أن مركب الهافنيوم والنيتروجين والكربون سيكون له نقطة انصهار عالية مماثلة، ولكن مع اختلاف أصغر بين إنتروبيا المادة الصلبة والسائلة. وعندما حسبوا نقطة الانصهار، تبين أنها أعلى بمقدار 200 كلفن من تلك التي تم الحصول عليها في تجربة HF-Ta-C.

نقاط انصهار سبائك Ta-HF-C-N. تشير الدوائر المملوءة إلى درجات حرارة الانصهار المحسوبة في نظامي HF-C وHf-C-N، وتظهر الدوائر المفتوحة بيانات نظام Ta-HF-C للمقارنة.

يمكن أن يشير العمل في النهاية إلى مواد جديدة عالية الجودة لتطبيقات تتراوح من طلاء توربينات الغاز إلى أجزاء الطائرات عالية السرعة. ويقول الباحثون إن ما إذا كانت هذه المادة الجديدة ستصبح HfN 0.38 C 0.51 أم لا، فليس من الواضح بعد.

معدن التنغستن

تم الحصول على المعدن الأكثر صهرًا، وهو التنغستن (الولفراميوم)، في عام 1783. قام الكيميائيون الإسبان، الأخوان ديلويارد، بعزله من معدن الولفراميت واختزاله بالكربون. حاليا، المواد الخام لإنتاج التنغستن هي مركزات الولفراميت والسكايليت - WO3. يتم الحصول على مسحوق التنغستن أفران كهربائيةعند درجة حرارة 700-850 درجة مئوية. يتم إنتاج المعدن نفسه من المسحوق بالضغط في قوالب فولاذية تحت الضغط وأكثر المعالجة الحراريةالفراغات النقطة الأخيرة هي أن التسخين إلى حوالي 3000 درجة مئوية يحدث عن طريق تمرير تيار كهربائي.

التطبيق الصناعي

لم يجد التنغستن تطبيقًا صناعيًا لفترة طويلة. فقط في القرن التاسع عشر بدأوا في دراسة تأثير التنغستن على خصائص الفولاذ ذي الطبيعة المختلفة. وفي بداية القرن العشرين، بدأ استخدام التنغستن المصابيح الكهربائية: الخيط المصنوع منه يسخن حتى 2200 درجة مئوية. وبهذه الصفة، لا غنى عن التنغستن في عصرنا.

يستخدم فولاذ التنغستن أيضًا في صناعة الدفاع - لإنتاج دروع الدبابات والطوربيدات والقذائف وأنحف أجزاء الطائرات وما إلى ذلك. يمكن للأداة، المصنوعة من فولاذ التنغستن، أن تتحمل عمليات تشغيل المعادن الأكثر كثافة.

يختلف التنغستن عن جميع إخوانه المعدنيين الآخرين في صهره الخاص وثقله وصلابته. ينصهر التنغستن النقي عند 3380 درجة مئوية، لكنه يغلي فقط عند 5900 درجة مئوية، والتي تتزامن مع درجة الحرارة على سطح الشمس.

من كيلوغرام واحد من التنغستن يمكنك صنع سلك بطول 3.5 كم. وهذا الطول يكفي لإنتاج 23000 مصباح كهربائي بقوة 60 واط.

تعد المعادن من بين المواد الأكثر شيوعًا، إلى جانب الزجاج والبلاستيك. لقد تم استخدامها من قبل الناس منذ العصور القديمة. ومن الناحية العملية، تعلم الناس خصائص المعادن واستخدموها بشكل مربح لصنع الأطباق والأدوات المنزلية والهياكل المختلفة والأعمال الفنية. الخصائص الرئيسية لهذه المواد هي صهرها وصلابتها. في الواقع، تطبيقها في منطقة معينة يعتمد على هذه الصفات.

الخصائص الفيزيائية للمعادن

جميع المعادن لها الخصائص العامة التالية:

اللون - رمادي فضي مع لمعان مميز. الاستثناءات هي: النحاس والذهب. وتتميز على التوالي بلون محمر وأصفر.
الحالة الفيزيائية صلبة، باستثناء الزئبق، فهو سائل.
يتم التعبير عن التوصيل الحراري والكهربائي بشكل مختلف لكل نوع من المعدن.
تعتبر اللدونة وقابلية التحمل من العوامل المتغيرة اعتمادًا على المعدن المحدد.
نقاط الانصهار والغليان - تحدد الانكسار والانصهار، ولها قيم مختلفة لجميع المواد.

الجميع الخصائص الفيزيائيةتعتمد المعادن على بنية الشبكة البلورية وشكلها وقوتها وترتيبها المكاني.

حراريات المعادن

تصبح هذه المعلمة مهمة عندما يطرح السؤال حول الاستخدام العملي للمعادن. لمثل هذا الصناعات الهامة الاقتصاد الوطني، مثل بناء الطائرات، وبناء السفن، والهندسة الميكانيكية، فإن الأساس هو المعادن المقاومة للحرارة وسبائكها. بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدامها لتصنيع أدوات العمل عالية القوة. يتم إنتاج العديد من الأجزاء والمنتجات المهمة عن طريق الصب والصهر. بناءً على قوتها، تنقسم جميع المعادن إلى هشة وصلبة، وبناءً على مقاومتها تنقسم إلى مجموعتين.

المعادن المقاومة للحرارة والمنخفضة الذوبان

مقاومة للحرارة - درجة انصهارها تتجاوز نقطة انصهار الحديد (1539 درجة مئوية). وتشمل هذه البلاتين والزركونيوم والتنغستن والتنتالوم. لا يوجد سوى أنواع قليلة من هذه المعادن. في الممارسة العملية، يتم استخدام عدد أقل. بعضها لا يستخدم لأن لديه نشاط إشعاعي عالي، والبعض الآخر هش للغاية ولا يتمتع بالنعومة اللازمة، والبعض الآخر عرضة للتآكل، وهناك البعض الآخر غير مجدي اقتصاديًا. ما هو المعدن الأكثر مقاومة للحرارة؟ وهذا هو بالضبط ما سيتم مناقشته في هذه المقالة.
المعادن منخفضة الانصهار هي معادن يمكنها، عند درجة حرارة أقل من أو تساوي نقطة انصهار القصدير 231.9 درجة مئوية، أن تغير حالة تجميعها. على سبيل المثال، الصوديوم والمنغنيز والقصدير والرصاص. تستخدم المعادن في الهندسة الراديوية والكهربائية. غالبًا ما يتم استخدامها للطلاءات المضادة للتآكل وكموصلات.

التنغستن هو المعدن الأكثر صهرًا

وهي مادة صلبة وثقيلة ذات بريق معدني، لونها رمادي فاتح، ولها مقاومة حرارية عالية. بالقطعمن الصعب الاستسلام. في درجة حرارة الغرفة، فهو معدن هش وينكسر بسهولة. يحدث هذا بسبب التلوث بشوائب الأكسجين والكربون. من الناحية الفنية، يصبح التنغستن النقي بلاستيكًا عند درجات حرارة أعلى من 400 درجة مئوية. يُظهر الخمول الكيميائي ويتفاعل بشكل سيئ مع العناصر الأخرى. يوجد التنغستن في الطبيعة على شكل معادن معقدة، مثل:

التهاب الصفاق.
الولفراميت.
فربريت.
هوبنيريت.

يتم الحصول على التنغستن من الخام باستخدام المعالجة الكيميائية المعقدة في شكل مسحوق. باستخدام طرق الضغط والتلبيد، يتم إنتاج أجزاء وقضبان ذات شكل بسيط. التنغستن عنصر مقاوم لدرجة الحرارة للغاية. لذلك، لم يتمكنوا من تليين المعدن لمدة مائة عام. لم تكن هناك أفران يمكن تسخينها إلى عدة آلاف من الدرجات. لقد أثبت العلماء أن التنغستن هو المعدن الأكثر صهرًا. على الرغم من وجود رأي مفاده أن السيبورجيوم، وفقًا للبيانات النظرية، لديه قدر أكبر من الحراريات، إلا أنه لا يمكن تأكيد ذلك بشكل قاطع، لأنه عنصر مشع وله عمر قصير.

معلومات تاريخية

اكتشف الكيميائي السويدي الشهير كارل شيل، الذي كان يعمل في مهنة الصيدلة، المنغنيز والباريوم والكلور والأكسجين في مختبر صغير، وأجرى العديد من التجارب. وقبل وقت قصير من وفاته عام 1781، اكتشف أن معدن التنغستن عبارة عن ملح حمض لم يكن معروفًا آنذاك. وبعد عامين من العمل، قام طلابه، الأخوين ديلويار (كيميائيان إسبان)، بعزل عنصر كيميائي جديد من المعدن وأطلقوا عليه اسم التنغستن. وبعد قرن من الزمان فقط، أحدث التنغستن - وهو المعدن الأكثر مقاومة للحرارة - ثورة حقيقية في الصناعة.

خصائص القطع من التنغستن

في عام 1864، استخدم العالم الإنجليزي روبرت موشيه التنغستن كمادة مضافة إلى صناعة السبائك، والتي يمكنها تحمل الحرارة الحمراء وزيادة الصلابة. وزادت القواطع التي صنعت من الفولاذ الناتج من سرعة قطع المعدن 1.5 مرة، فأصبحت 7.5 متر في الدقيقة.

ومن خلال العمل في هذا الاتجاه، حصل العلماء على تقنيات جديدة تزيد من سرعة معالجة المعادن باستخدام التنغستن. في عام 1907، ظهر مركب جديد من التنغستن مع الكوبالت والكروم، والذي أصبح مؤسس السبائك الصلبة القادرة على زيادة سرعة القطع. حاليا، ارتفعت إلى 2000 متر في الدقيقة، وكل هذا بفضل التنغستن - المعدن الأكثر صهرا.

تطبيقات التنغستن

هذا المعدن له سعر مرتفع نسبيا ويصعب معالجته ميكانيكيا، لذلك يتم استخدامه حيث يستحيل استبداله بمواد أخرى ذات خصائص مماثلة. يتحمل التنغستن درجات الحرارة المرتفعة بشكل مثالي، وله قوة كبيرة، ويتمتع بالصلابة والمرونة والحرارة، لذلك يجد الاستخدام على نطاق واسعفي العديد من مجالات الصناعة:

المعدنية. وهو المستهلك الرئيسي للتنغستن، الذي يدخل في الإنتاج جودة عاليةسبائك الفولاذ.
الكهربائية. تبلغ نقطة انصهار المعدن الأكثر صهرًا حوالي 3400 درجة مئوية. تسمح مقاومة المعدن لاستخدامه في إنتاج الخيوط المتوهجة، والخطافات في الإضاءة والمصابيح الإلكترونية، والأقطاب الكهربائية، وأنابيب الأشعة السينية، والاتصالات الكهربائية.

الهندسة الميكانيكية. نظرًا لزيادة قوة الفولاذ الذي يحتوي على التنغستن، يتم تصنيع الدوارات الصلبة والتروس والأعمدة المرفقية وقضبان التوصيل.
الطيران. ما هو المعدن الأكثر صهرًا المستخدم في إنتاج السبائك الصلبة والمقاومة للحرارة، والتي تُصنع منها أجزاء محركات الطائرات، وأجهزة التفريغ الكهربائية، والشعيرات المتوهجة؟ الجواب بسيط - إنه التنغستن.
فضاء. يتم إنتاج الفوهات النفاثة من الفولاذ الذي يحتوي على التنغستن، العناصر الفرديةللمحركات النفاثة.
جيش. تتيح الكثافة العالية للمعدن إنتاج قذائف خارقة للدروع والرصاص وحماية الدروع للطوربيدات والقذائف والدبابات والقنابل اليدوية.
كيميائي. يتم استخدام سلك التنغستن المقاوم للأحماض والقلويات في شبكات الترشيح. يستخدم التنغستن لتغيير معدل التفاعلات الكيميائية.
النسيج. ويستخدم حمض التنجستيك كصبغة للأقمشة، ويستخدم تنجستات الصوديوم في صناعة الجلود والحرير والأقمشة المقاومة للماء والمقاومة للحريق.

تشير القائمة أعلاه لاستخدامات التنغستن في مختلف مجالات الصناعة إلى القيمة العالية لهذا المعدن.

تحضير السبائك بالتنغستن

غالبًا ما يستخدم التنغستن، وهو المعدن الأكثر صهرًا في العالم، في صناعة السبائك مع عناصر أخرى لتحسين خصائص المواد. عادة ما يتم إنتاج السبائك التي تحتوي على التنغستن باستخدام تكنولوجيا تعدين المساحيق، حيث أن الطريقة التقليدية تحول جميع المعادن إلى سوائل أو غازات متطايرة عند نقطة انصهارها. تتم عملية الاندماج في فراغ أو جو الأرجون لتجنب الأكسدة. يتم ضغط خليط من المساحيق المعدنية وتكلسها وصهرها. في بعض الحالات، يتم ضغط وتكلس مسحوق التنغستن فقط، ثم يتم تشبع قطعة العمل المسامية بذوبان معدن آخر. يتم الحصول على سبائك التنغستن مع الفضة والنحاس بهذه الطريقة. حتى الإضافات الصغيرة من المعدن الأكثر صهرًا تزيد من مقاومة الحرارة والصلابة ومقاومة الأكسدة في السبائك التي تحتوي على الموليبدينوم والتنتالوم والكروم والنيوبيوم. يمكن أن تكون النسب في هذه الحالة أي شيء على الإطلاق اعتمادًا على احتياجات الصناعة. السبائك الأكثر تعقيدًا، اعتمادًا على نسبة المكونات مع الحديد والكوبالت والنيكل، لها الخصائص التالية:

لا تتلاشى في الهواء.
لديها مقاومة كيميائية جيدة.
لها خصائص ميكانيكية ممتازة: الصلابة ومقاومة التآكل.

كافٍ اتصالات معقدةيشكل التنغستن مع البريليوم والتيتانيوم والألومنيوم. وتتميز بمقاومتها للأكسدة عند درجات الحرارة المرتفعة وكذلك مقاومة الحرارة.

خصائص السبائك

ومن الناحية العملية، غالبًا ما يتم دمج التنغستن مع مجموعة من المعادن الأخرى. وتستخدم مركبات التنغستن مع الكروم والكوبالت والنيكل، والتي لديها مقاومة متزايدة للأحماض، في صناعة الأدوات الجراحية. والسبائك الخاصة المقاومة للحرارة، بالإضافة إلى التنغستن - المعدن الأكثر صهرًا، تحتوي على الكروم والنيكل والألومنيوم والنيكل. يتم تضمين التنغستن والكوبالت والحديد في التركيبة أفضل العلامات التجاريةالصلب المغناطيسي.

المعادن الأكثر قابلية للانصهار والحرارية

تشمل المعادن منخفضة الذوبان جميع المعادن التي تكون درجة انصهارها أقل من درجة انصهار القصدير (231.9 درجة مئوية). تُستخدم عناصر هذه المجموعة كطلاءات مضادة للتآكل، في الهندسة الكهربائية والراديو، وهي جزء من السبائك المضادة للاحتكاك. الزئبق، الذي تبلغ درجة انصهاره -38.89 درجة مئوية، هو سائل في درجة حرارة الغرفة ويستخدم على نطاق واسع في الأدوات العلمية. مصابيح الزئبقوالمقومات والمفاتيح في إنتاج الكلور. يتمتع الزئبق بأدنى نقطة انصهار مقارنة بالمعادن الأخرى المدرجة في المجموعة القابلة للانصهار. تشمل المعادن المقاومة للحرارة جميع المعادن التي تكون درجة انصهارها أعلى من درجة انصهار الحديد (1539 درجة مئوية). يتم استخدامها غالبًا كإضافات في صناعة سبائك الفولاذ، ويمكن أيضًا أن تكون بمثابة الأساس لبعض السبائك الخاصة. وجود التنغستن درجة الحرارة القصوىنقطة الانصهار 3420 درجة مئوية شكل نقيتستخدم بشكل رئيسي للخيوط في المصابيح الكهربائية.

في كثير من الأحيان يتم طرح أسئلة في الكلمات المتقاطعة: أي المعدن هو الأكثر قابلية للانصهار أو الأكثر مقاومة للحرارة؟ الآن يمكنك الإجابة دون تردد: الأكثر قابلية للانصهار هو الزئبق، والأكثر صهرًا هو التنغستن.

باختصار عن الأجهزة

ويسمى هذا المعدن المادة الهيكلية الرئيسية. تم العثور على أجزاء الحديد على حد سواء سفينة الفضاءأو غواصة، وفي المنزل في المطبخ على شكل أدوات مائدة وديكورات مختلفة. هذا المعدن له لون رمادي فضي، وله ليونة، ليونة وخصائص مغناطيسية. الحديد عنصر نشط للغاية؛ ويتكون فيلم أكسيد في الهواء، مما يمنع استمرار التفاعل. يظهر الصدأ في بيئة رطبة.

نقطة انصهار الحديد

يتميز الحديد بالليونة، ويسهل تزويره ويصعب صبه. تتم معالجة هذا المعدن المتين ميكانيكيًا بسهولة ويستخدم في تصنيع محركات الأقراص المغناطيسية. المرونة الجيدة تسمح باستخدامها الحلي الزخرفية. هل الحديد هو المعدن الأكثر مقاومة للحرارة؟ وتجدر الإشارة إلى أن درجة انصهاره هي 1539 درجة مئوية. وبحكم التعريف، تشمل المعادن المقاومة للحرارة المعادن التي تكون درجة انصهارها أعلى من درجة انصهار الحديد.

يمكننا بالتأكيد أن نقول أن الحديد ليس المعدن الأكثر صهرًا، ولا ينتمي حتى إلى هذه المجموعة من العناصر. وهو ينتمي إلى مواد متوسطة الذوبان. ما هو المعدن الأكثر صهراً؟ مثل هذا السؤال لن يفاجئك الآن. يمكنك الإجابة بأمان - هذا هو التنغستن.

بدلا من الاستنتاج

يتم إنتاج ما يقرب من ثلاثين ألف طن سنويًا من التنغستن في جميع أنحاء العالم. من المؤكد أن هذا المعدن مدرج في التركيبة أفضل الأصنافالفولاذ لصنع الأدوات. يتم استهلاك ما يصل إلى 95٪ من إجمالي التنغستن المنتج لتلبية احتياجات التعدين. ولتقليل تكلفة العملية، يستخدمون بشكل أساسي سبيكة أرخص تتكون من 80% تنجستين و20% حديد. باستخدام خصائص التنغستن، يتم استخدام سبائكه مع النحاس والنيكل لإنتاج حاويات تستخدم لتخزين المواد المشعة. في العلاج الإشعاعي، يتم استخدام نفس السبيكة لصنع الشاشات، مما يوفر حماية موثوقة.

من المحتمل أن يكون الأشخاص الفضوليون مهتمين بالسؤال، ما هو المعدن الأكثر مقاومة للحرارة؟ قبل الإجابة عليه، يجدر بنا أن نفهم مفهوم الحراريات نفسه. جميع المعادن المعروفة علميا لها نقاط انصهار مختلفة بسبب اختلاف درجات ثبات الروابط بين الذرات في الشبكة البلورية. كلما كانت الرابطة أضعف، انخفضت درجة الحرارة اللازمة لكسرها.

تُستخدم المعادن الأكثر صهرًا في العالم في شكلها النقي أو في السبائك لإنتاج أجزاء تعمل في ظل ظروف حرارية شديدة. يمكنها تحمل درجات الحرارة المرتفعة بشكل فعال وإطالة عمر تشغيل الوحدات بشكل كبير. لكن مقاومة معادن هذه المجموعة للتأثيرات الحرارية تجبر علماء المعادن على اللجوء إلى طرق غير قياسية لإنتاجهم.

ما هو المعدن الأكثر مقاومة للحرارة؟

تم اكتشاف المعدن الأكثر صهرًا على وجه الأرض عام 1781 على يد العالم السويدي كارل فيلهلم شيل. مادة جديدةيسمى التنغستن. كان Scheele قادرًا على تصنيع ثالث أكسيد التنغستن عن طريق إذابة الخام في حمض النيتريك. تم عزل المعدن النقي بعد عامين من قبل الكيميائيين الإسبان فاوستو فيرمين وخوان خوسيه دي إيلوار. لم يحظ العنصر الجديد بالاعتراف على الفور وتم تبنيه من قبل الصناعيين. والحقيقة هي أن التكنولوجيا في ذلك الوقت لم تسمح بمعالجة مثل هذه المادة المقاومة للحرارة، لذلك لم يعلق معظم المعاصرين أهمية كبيرة على الاكتشاف العلمي.

تم تقدير التنغستن في وقت لاحق. واليوم، تُستخدم سبائكها في إنتاج الأجزاء المقاومة للحرارة لمختلف الصناعات. الفتيل الموجود في المصابيح المنزلية التي تعمل بتفريغ الغاز مصنوع أيضًا من التنغستن. كما أنه يستخدم في صناعة الطيران لإنتاج فوهات الصواريخ، ويستخدم كأقطاب كهربائية قابلة لإعادة الاستخدام في اللحام بقوس الغاز. بالإضافة إلى كونه مقاومًا للحرارة، يتمتع التنغستن أيضًا بكثافة عالية، مما يجعله مناسبًا لصنع مضارب الجولف عالية الجودة.

كما تستخدم مركبات التنغستن مع اللافلزات على نطاق واسع في الصناعة. لذلك يتم استخدام الكبريتيد كمادة تشحيم مقاومة للحرارة يمكنها تحمل درجات حرارة تصل إلى 500 درجة مئوية، ويستخدم الكربيد في صناعة القواطع والأقراص الكاشطة والمثاقب التي يمكنها التعامل مع أصعب المواد وتحمل درجات الحرارة المرتفعة. دعونا نفكر أخيرًا في الإنتاج الصناعي للتنغستن. المعدن الأكثر صهرًا لديه نقطة انصهار تبلغ 3422 درجة مئوية.

كيف يتم الحصول على التنغستن؟

التنغستن النقي لا يوجد في الطبيعة. وهو جزء من الصخور على شكل ثالث أكسيد، وكذلك الولفراميت من الحديد والمنغنيز والكالسيوم، وفي كثير من الأحيان النحاس أو الرصاص. وفقا للعلماء، محتوى التنغستن في قشرة الأرضالمتوسط 1.3 جرام للطن. هذا عنصر نادر إلى حد ما مقارنة بأنواع المعادن الأخرى. عادة لا يتجاوز محتوى التنغستن في الخام بعد التعدين 2٪. لذلك، يتم إرسال المواد الخام المستخرجة إلى مصانع المعالجة، حيث يتم رفع نسبة كتلة المعدن إلى 55-60٪ باستخدام الفصل المغناطيسي أو الكهروستاتيكي.

وتنقسم عملية إنتاجها إلى مراحل تكنولوجية. في المرحلة الأولى، يتم عزل ثالث أكسيد نقي من الخام المستخرج. ولهذا الغرض، يتم استخدام طريقة التحلل الحراري. عند درجات حرارة تتراوح من 500 إلى 800 درجة مئوية، تذوب جميع العناصر الزائدة، ويمكن بسهولة جمع التنغستن المقاوم للحرارة على شكل أكسيد من المصهور. الناتج عبارة عن مادة خام تحتوي على أكسيد التنجستن سداسي التكافؤ بنسبة 99%.

يتم سحق المركب الناتج جيدًا ويتم إجراء تفاعل الاختزال في وجود الهيدروجين عند درجة حرارة 700 درجة مئوية. هذا يسمح لك بعزل المعدن النقي في شكل مسحوق. بعد ذلك، يتم ضغطه تحت ضغط عالٍ وتكلسه في بيئة هيدروجينية عند درجات حرارة تتراوح بين 1200 و1300 درجة مئوية. بعد ذلك، يتم إرسال الكتلة الناتجة إلى فرن الصهر الكهربائي، حيث يتم تسخينها تحت تأثير التيار إلى درجة حرارة تزيد عن 3000 درجة. هذه هي الطريقة التي يتحول بها التنغستن إلى حالة منصهرة.

وللتنقية النهائية من الشوائب والحصول على شبكة هيكلية أحادية البلورة، يتم استخدام طريقة ذوبان المنطقة. إنه يعني أنه في وقت معين فقط منطقة معينة من المساحة الإجماليةمعدن تتحرك هذه المنطقة تدريجيًا، وتعيد توزيع الشوائب، ونتيجة لذلك تتراكم في النهاية في مكان واحد ويمكن إزالتها بسهولة من هيكل السبائك.

يصل التنغستن النهائي إلى المستودع على شكل قضبان أو سبائك مخصصة للإنتاج اللاحق للمنتجات المطلوبة. للحصول على سبائك التنغستن، كل شيء العناصر المكونةيتم سحقها وخلطها في مسحوق بالنسب المطلوبة. بعد ذلك، يتم إجراء عملية التلبيد والصهر في فرن كهربائي.

ل الحراريات هي معادن ذات نقطة انصهار أعلى من 1700درجة مئوية: التنغستن، الموليبدينوم، التنتالوم، النيوبيوم، الكروم، الزركونيوم، الرينيوم. غالبًا ما يتم إنتاجها عن طريق تعدين المساحيق باستخدام تقنيات الصهر والتنقية الكهربائية.

تطبيق المعادن المقاومة للحرارة:

منتجات معدات الفراغ الكهربائي.

عناصر التسخين

المبخرات في منشآت الترسيب الحراري لإنتاج أغشية رقيقة شديدة التوصيل والمقاومة؛

مقاومات الأغشية الرقيقة

المزدوجات الحرارية لقياس درجات الحرارة العالية.

جميع المعادن المقاومة للحرارة، عند تسخينها في الهواء إلى درجات حرارة أعلى من 600 درجة مئوية، تتأكسد بشكل مكثف لتكوين أكاسيد متطايرة. لذلك، كما عناصر التدفئةفهي تعمل في الفراغ أو في جو خامل وقائي، مثل الأرجون. المعادن المقاومة للحرارة لها ضغط بخار لا يذكر - نوعية مهمةلمواد المبخر عند إنتاج الأغشية الرقيقة.

التنغستن (W) هو أكثر المعادن مقاومة للحرارة (Tm = 3400° C)، وله صلابة عالية وموصلية جيدة

(ρ = 0.055 ميكرومتر).

يعد التنغستن أحد أهم المواد المستخدمة في تكنولوجيا الفراغ الكهربائي. بفضل البنية الليفية المكتسبة نتيجة معالجة الحدادة والرسم، فإن سلك التنغستن الرقيق الذي يصل قطره إلى 0.01 ملم يتمتع بمرونة عالية. التنغستن هو المادة الرئيسية لصنع خيوط المصابيح المتوهجة. ومع ذلك، فإن الأسلاك واللوالب المصنوعة من التنغستن النقي عند درجات الحرارة المرتفعة تصبح هشة بسبب عمليات إعادة التبلور، المصحوبة بنمو مكثف للحبيبات إلى أحجام المقطع العرضيسلك. لتحسين خصائص التنغستن النقي، يتم إدخال إضافات مختلفة فيه. يعمل أكسيد الثوريوم Th2 O3 على إبطاء عملية إعادة التبلور ويمنع نمو الحبوب، كما تعمل إضافة أكاسيد السيليكون SiO2 والألومنيوم Al2 O3 على تحسين ثبات الأبعاد لسلك التنغستن. في الإلكترونية

في إنتاج Travacuum، يتم استخدام درجات التنغستن VA (مع إضافة السيليكون والألومنيوم) وVT (مع إضافة أكسيد الثوريوم).

الكاثودات مصنوعة من التنغستن الجهد العاليمصابيح مولدة قوية، وأنابيب أشعة سينية بها درجة حرارة التشغيل 2200…2800 كلفن. تتمتع كاثودات التنغستن بانبعاث إلكترون ثابت وقدرة على العمل في فراغ عالٍ. تتمتع كاثودات التنغستن الثورية VT بخصائص انبعاث أعلى.

التنغستن لديه الأقل معامل درجة الحرارةالتوسع الخطي بين جميع المعادن النقية (αl =

4.4 10-6 ك-1). تُستخدم هذه الخاصية في إنشاء وصلات تنجستين مقاومة للحرارة باستخدام زجاج مقاوم للحرارة.

يستخدم التنغستن وسبائكه مع الموليبدينوم والإيريديوم والرينيوم أيضًا في عناصر التسخين التي تعمل عند درجات حرارة أعلى من 1200 درجة مئوية، وفي المزدوجات الحرارية ذات درجة الحرارة العالية. نظرًا لصلابته العالية، ومقاومته للقوس الكهربائي، ومقاومته للتآكل الكهربائي، وقابليته المنخفضة للحام، يستخدم التنغستن على نطاق واسع في الاتصالات عالية الحمل والكسر.

الموليبدينوم (Mo) هو نظير للتنغستن، ولكنه أقل مقاومة للحرارة إلى حد ما (T pl = 2620 درجة مئوية) وأقل صلابة. الموليبدينوم الصلب ذو البنية الدقيقة الحبيبات أكثر ليونة من التنغستن، ويستخدم على نطاق واسع في أجزاء مختلفة من التكوينات المعقدة. من بين جميع المعادن المقاومة للحرارة، يتمتع الموليبدينوم بأقل مقاومة (ρ = 0.05 μOhm · m).

يستخدم الموليبدينوم لعناصر التسخين في الأفران الكهربائية ذات درجة الحرارة العالية (حتى 1700 درجة مئوية) التي تعمل في جو وقائي. يستخدم الموليبدينوم في صناعة شبكات وأقطاب أنابيب الإلكترون والأجزاء المساعدة الأخرى لأجهزة التفريغ الكهربائية (الخطافات والخيوط والمعلقات) التي تعمل في ظروف حرارية شديدة.

ذات أهمية عملية كبيرة سبائك التنغستن والموليبدينوم، والتي تشكل بنية حل صلبة على نطاق التركيز بأكمله. تتمتع السبائك التي تحتوي على 45% Mo بأقصى قدر من المقاومة والصلابة ومقاومة عالية للتآكل. يتم استخدامها للاتصالات المحملة للغاية في بيئة وقائية. كما يتم استخدام سبائك W-Mo

للخيوط المتوهجة للمصابيح الكهربائية وكاثودات التدفئة، لأنها تتمتع بخصائص ميكانيكية أعلى من التنغستن النقي، على الرغم من انخفاض درجات حرارة التشغيل المسموح بها.

الرينيوم (إعادة) - نادر و معدن ثقيلمع نقطة انصهار قريبة من نقطة انصهار التنغستن (T pl = 3180 درجة مئوية). الرينيوم صلب ومتين، مثل التنغستن، وقابل للطرق، مثل الموليبدينوم، وله نسبة عالية من المقاومة(ρ = 0.214 ميكروأوم م)، مقاومة للقوس العاصمة. غالبًا ما يستخدم الرينيوم في السبائك لوصلات الكسر ذات التحميل العالي، على سبيل المثال، W+15...20%Re تتميز السبائك بزيادة مقاومة التآكل.

يتم استخدام الرينيوم وسبائكه مع التنغستن في إنتاج أجهزة التفريغ الكهربائية بدلاً من التنغستن، لأنه يتبخر بشكل أقل في جو الهيدروجين وله عمر خدمة أطول. يتم استخدام سبائك Re- وW-Re في المزدوجات الحرارية التي تصل درجة حرارتها إلى 2500...2800 درجة مئوية في بيئة محمية.

في في الإلكترونيات الراديوية، يستخدم الرينيوم للحماية من التآكل

و تآكل الأجزاء المصنوعة من النحاس والتنغستن والموليبدينوم. تستخدم الأغشية الرقيقة من الرينيوم في المقاومات الدقيقة في الدوائر المتكاملة.

التنتالوم (Ta) أقل إلى حد ما من حيث المقاومة للحرارة من التنغستن (Tm = 3000 درجة مئوية)، ولكنه يفوقه بشكل كبير في الليونة، مما يجعل من الممكن إنتاج أجزاء مشكلة وأسلاك ورقائق يصل سمكها إلى 10 ميكرون. يشكل التنتالوم طبقة أكسيد كثيفة Ta2O5 على السطح، ثابتة حتى درجة حرارة 1500 درجة مئوية. تُستخدم هذه الخاصية في إنتاج المكثفات الإلكتروليتية والأغشية الرقيقة ذات السعة النوعية العالية، التي يتم الحصول عليها عن طريق الأكسدة الأنودية.

يستخدم التنتالوم على نطاق واسع في تكنولوجيا الفراغ الكهربائي للأجزاء الهامة: الأنودات وشبكات مصابيح المولدات، والكاثودات المتوهجة. نظرا لقدرته على امتصاص الغازات في نطاق درجة حرارة 600...1200 درجة مئوية، يستخدم التنتالوم في معدات التفريغ كمثبت للفراغ العالي (جالتر). يستخدم التنتالوم أيضًا في تقنيات الأغشية الرقيقة في إنتاج المقاومات. في الهواء، يذوب النيتروجين بشكل فعال في طبقة التنتالوم مع تكوين طبقة نيتريد Ta2N ذات خصائص مستقرة للغاية.

النيوبيوم (Nb) هو معدن مشابه في خصائصه للتنتالوم، ولكنه أكثر قابلية للانصهار (Tm = 2500 درجة مئوية)، وله قدرة عالية على امتصاص الغاز في نطاق درجة الحرارة 400...900 درجة مئوية. لذلك، في أجهزة التفريغ الكهربائية، الأجزاء تؤدي النيوبيوم المصنوعة من النيوبيوم وظائف المُحصل في نفس الوقت. يتمتع النيوبيوم بأدنى وظيفة عمل للإلكترون بين جميع المعادن المقاومة للحرارة؛ ويتم استخدامه ككاثودات متوهجة في مصابيح المولدات عالية الطاقة. بين الجميع العناصر الكيميائيةيتمتع النيوبيوم بأعلى درجة حرارة حرجة للانتقال إلى حالة التوصيل الفائق (Tst = 9.2 K). لذلك، يتم استخدام النيوبيوم، مثل التنتالوم (Tst = 4.5 K)، في التكنولوجيا المبردة.

يتمتع الكروم (Cr) بنقطة انصهار منخفضة نسبيًا (Tm = 1900 درجة مئوية) مقارنة بالمعادن المقاومة للحرارة الأخرى، ولكنه، على عكس المعادن الأخرى في هذه المجموعة، شائع جدًا في القشرة الأرضية. له ميزة مميزة- مقاومة عالية للأكسدة، ولذلك يستخدم الكروم في الطلاءات الواقية للمنتجات (طلاء الكروم)، بما في ذلك تلك التي يتم تشغيلها في درجات حرارة مرتفعة.

يتمتع الكروم بقدرة لصق جيدة على الزجاج والسيراميك والسيراميك الزجاجي وهو متوافق جيدًا مع المواد الموصلة الأخرى. ولذلك، فإن تقنية ترسيب أغشية الكروم الرقيقة على الركيزة تستخدم على نطاق واسع في الإلكترونيات الدقيقة في تصنيع المقاومات والطبقات الفرعية اللاصقة لمنصات الاتصال

و اتصالات موصلة.

2.2.5. المعادن والسبائك فائقة التوصيل

الموصلية الفائقةهي حالة من المادة تتميز بالغياب المقاومة الكهربائية. لوحظت الموصلية الفائقة في عدد من المعادن والسبائك عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق. درجة حرارة الانتقال إلى الموصلية الفائقة

الحالة الحالية تسمى درجة الحرارة الحرجة للموصلية الفائقة-ت ش.

عند درجة حرارة أقل من Tst، فإن التيار الكهربائي المستحث في دائرة التوصيل الفائق سوف يدور إلى أجل غير مسمى، دون أن يتناقص، بشرط الحفاظ على درجة الحرارة عند درجة حرارة منخفضة. أوديل-

تبلغ مقاومة المادة في حالة التوصيل الفائق حوالي 10-25 أوم م، وهو أقل بـ 1017 مرة من مقاومة النحاس.

الطبيعة الفيزيائية للموصلية الفائقة. تم اكتشاف ظاهرة الموصلية الفائقة لأول مرة في الزئبق (شارع تي = 4.2 ك) من قبل عالم فيزياء هولندي كامرلينكوم-أونيسوم في عام 1911. تم اقتراح النظرية الحديثة للموصلية الفائقة، المبنية على مفاهيم الكم، في عام 1957 من قبل العلماء الأمريكيين باردين وكوبر وشرايفر. تم تقديم مساهمة كبيرة في تطوير نظرية الموصلية الفائقة من خلال عمل الأكاديمي السوفيتي ن.ن.بوغوليوبوف.

في المعدن، تتحرك الإلكترونات الحرة في وسط أيونات موجبة الشحنة وتتفاعل مع الاهتزازات الحرارية للشبكة، وتتبادل معها كميات الطاقة الحرارية - الفونونات، بينما يمكن للإلكترونات امتصاص الطاقة أو إطلاقها، أي. تغيير الدافع الخاص بك. يتم تبادل الفونونات بين الإلكترونات بمشاركة الشبكة بشكل مستمر. نتيجة لتفاعل تبادل الفونون، فإن زوجًا من الإلكترونات ذات عزم دوران مختلف ودوران عكسي متوازي يتعرضان للتجاذب المتبادل ويشكلان ما يسمى زوج كوبر.

لنفكر في رسم تخطيطي مبسط (الشكل 9). يجذب الإلكترون 1، الذي يتحرك بين الأيونات، الأيونات القريبة، مما يخلق منطقة محلية ذات كثافة شحنة موجبة متزايدة على طول مسار الحركة. ينجذب الإلكترون 2، الذي يتحرك بعد الأول، إلى هذه المنطقة. ونتيجة لذلك، بشكل غير مباشر، من خلال الشبكة، تنشأ قوى الجذب بين الإلكترونات. قوى الجذب صغيرة، والتكوينات المقترنة موضعية بشكل ضعيف في الفضاء، وتتفكك باستمرار وتتشكل لتشكل مكثفات إلكترونية.

في درجات حرارة منخفضة (<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.

أرز. 9. مخطط تكوين أزواج الإلكترون في الموصل الفائق

عند درجة حرارة الصفر المطلق، تتحد جميع الإلكترونات الموجودة بالقرب من مستوى فيرمي في أزواج. مع ارتفاع درجة الحرارة، تتفكك بعض أزواج الإلكترونات. تنتقل الإلكترونات غير المتزاوجة من المستويات الأرضية إلى المستويات المثارة، وتتعرض حركتها للعرقلة بسبب التشتت الناتج عن العيوب الهيكلية. عند درجة حرارة Tst، تنكسر جميع أزواج كوبر تمامًا، وتختفي حالة الموصلية الفائقة.

الموصلات الفائقة لها خصائص مغناطيسية محددة. نظرًا لأن الإلكترونات ذات الدوران المعاكس مرتبطة في أزواج، فإن عزم الدوران الناتج للزوج هو صفر، ويصبح الموصل الفائق مغناطيسًا مثاليًا. مثل أي مواد ديامغناطيسية، يتم دفع الموصلات الفائقة خارج المجال المغناطيسي. لا يخترق المجال المغناطيسي الخارجي سمك العينة على الإطلاق، مما يؤدي إلى توهين الطبقة السطحية الرقيقة (10-7 ... 10-8 م). إن تأثير الدفع قوي جدًا بحيث يمكن تثبيت مغناطيس دائم فوق حلقة من مادة فائقة التوصيل باستخدام مجال مغناطيسي. ومع ذلك، يمكن تدمير حالة الموصلية الفائقة إذا تجاوزت شدة المجال المغناطيسي قيمة حرجة معينة H St.

حاليًا، من المعروف أن أكثر من 30 معدنًا يتمتع بموصلية فائقة في درجات الحرارة المبردة، وأكثر من 1000

السبائك فائقة التوصيل والمركبات الكيميائية للعناصر المختلفة. يتم عرض معلمات بعض المواد فائقة التوصيل في الجدول. 5.

			الجدول 5
خصائص المواد فائقة التوصيل

موصل فائق-	شديد الأهمية	موصل فائق-	شديد الأهمية
موصل فائق-	درجة حرارة تي إس تي,	موصل فائق-	درجة حرارة تي إس تي,


ابتدائي:


		المركبات الكيميائية:
		المركبات الكيميائية:

		V3 جا
		V3 سي
		Nb3 سن
		Nb3Ga
		Nb3Ge

بناءً على طبيعة انتقال المادة من حالة التوصيل الفائق إلى حالة التوصيل الكهربائي العادي تحت تأثير المجال المغناطيسي، يتم التمييز بين الموصلات الفائقة من النوع الأول والنوع الثاني. ش النوع الأول من الموصلات الفائقةويحدث هذا التحول فجأة بمجرد أن تصل شدة المجال إلى قيمة حرجة. الموصلات الفائقة من النوع الثانيالانتقال من حالة إلى أخرى بشكل تدريجي. معظم المعادن النقية هي موصلات فائقة من النوع الأول مع درجات حرارة انتقالية حرجة أقل من 4.2 كلفن.

الموصلات الفائقة من النوع الثاني المصنوعة من معادن نقية تشمل النيوبيوم والفاناديوم. من بين جميع العناصر القادرة على الانتقال إلى حالة التوصيل الفائق، يتمتع النيوبيوم بأعلى درجة حرارة انتقال حرجة - 9.4 كلفن. تشمل الموصلات الفائقة من النوع الثاني جميع المركبات والسبائك المعدنية. تتمتع سبائك ومركبات النيوبيوم بأعلى المعلمات الحرجة (درجة الحرارة الانتقالية، وقوة المجال المغناطيسي الحرج، والتيارات المسموح بها). على سبيل المثال، يمكن لسلك مصنوع من ستانيد النيوبيوم Nb3 Sn في الحقول ذات تحريض يبلغ حوالي 10 تسلا أن يمرر تيارًا بكثافة أعلى من 109 أمبير/م2 (103 أمبير/مم2). لقد وجدت السبائك فائقة التوصيل ذات المحتوى العالي من النيوبيوم استخدامًا عمليًا: 65BT (63…68%Nb + 22…26%Ti +

8.5...11.5%Zr) و35BT (60...64%Ti + 33.5...36.5%Nb + 1.7...4.3%Zr).

على سبيل المثال، تتمتع سبيكة 65BT بكثافة تيار حرجة

2.8. 106 أ/م2.

وفي عام 1986، تم اكتشاف ظاهرة الموصلية الفائقة في درجات الحرارة العالية، والتي تظهرها أنواع معينة من السيراميك المبني على معادن أرضية نادرة ذات ترتيب مميز للذرات. على سبيل المثال، مركبات اللانثانم La2 -xMxCuO4 (حيث M = Ba, Sr) تتحول إلى حالة فائقة التوصيل عند درجة حرارة قريبة من درجة حرارة النيتروجين السائل. في سبائك الإيتريوم YBa2 Cu3 O7، يحدث الانتقال إلى حالة التوصيل الفائق عند درجة حرارة - 173 درجة مئوية وما فوق.

يجري تطوير مواد جديدة ذات كثافة تيار أعلى ودرجة حرارة انتقال أعلى إلى حالة التوصيل الفائق. ومن الأمور الواعدة في هذا الصدد ما يسمى بأنظمة البزموت ذات الصيغة الكيميائية Bi2 Sr2 Ca2 Cu2 Ox، والتي تصل درجة حرارتها الانتقالية إلى -158 درجة مئوية.

يتم استخدام العناصر والأجهزة فائقة التوصيل بشكل متزايد في مختلف مجالات العلوم والتكنولوجيا. لتحقيق حالة التوصيل الفائق، تستخدم هذه الأجهزة الهيليوم السائل أو مبرد أرخص - الهيدروجين السائل.

يرتبط أحد التطبيقات الرئيسية للموصلات الفائقة بإنتاج مجالات مغناطيسية فائقة القوة بقوة تزيد عن 107 أمبير/م. وهذا يجعل من الممكن إنتاج ملفات للمولدات القوية والآلات الكهربائية والمحولات ذات الوزن المنخفض والأبعاد والكفاءة العالية جدًا. لا تتطلب الأنظمة فائقة التوصيل مصدر طاقة خارجي. كما أنها تستخدم لكابلات خطوط الطاقة عالية الطاقة، وأدلة الموجات منخفضة التوهين، وأجهزة الذاكرة والتحكم. تُستخدم الموصلات الفائقة في صنع مغناطيسات قوية (على سبيل المثال، قطارات الرفع المغناطيسي)، والجيروسكوبات المبردة، التي "يطفو" عضو الإنتاج فيها في مجال مغناطيسي (دعامات خالية من الاحتكاك).