Le point de fusion le plus élevé d'un métal - Quels métaux sont faciles à fondre (de préférence légers et solides) afin que vous puissiez les faire fondre à la maison. Le métal le plus réfractaire Le point de fusion le plus élevé d'un métal

Utiliser puissant modèles informatiques, des chercheurs de l'Université Brown ont identifié un matériau dont le point de fusion est supérieur à toute substance connue. Les calculs montrent qu'un matériau composé d'hafnium, d'azote et de carbone aurait un point de fusion supérieur à 4 400 K. Cela représente environ les deux tiers de la température à la surface du Soleil et 200 K de plus que le point de fusion le plus élevé jamais enregistré dans le monde. expérience. .

Auparavant, il avait été confirmé expérimentalement qu'une substance fabriquée à partir des éléments hafnium, tantale et carbone (HF-Ta-C) avait un point de fusion record. Les calculs présentés dans la revue Physical Review B ont montré qu'un matériau composé d'une certaine composition de. le hafnium, l'azote et le carbone (HF-N-C) auront un point de fusion supérieur à 4 400 K, soit 200 K de plus que le résultat expérimental. Les calculs effectués montrent que composition optimale matériau composé de hafnium, d'azote et de carbone - HfN 0,38 C 0,51. La prochaine étape des chercheurs consistera à synthétiser du matériel pour confirmer les découvertes du laboratoire.

"L'avantage de l'approche informatique est que vous pouvez examiner de manière rentable de nombreuses combinaisons différentes et trouver celles qui valent la peine d'être expérimentées en laboratoire", a déclaré Axel van de Walle, co-auteur de l'étude.

Les chercheurs ont utilisé une méthode informatique dans laquelle le point de fusion est calculé en simulant des processus physiques au niveau atomique, conformément à la loi mécanique quantique. La dynamique de fusion est étudiée à l’échelle nanométrique, par blocs d’environ 100 atomes. Les chercheurs ont commencé par analyser le matériau HF-Ta-C, dont le point de fusion avait déjà été déterminé expérimentalement. Les simulations ont permis de clarifier certains des facteurs qui contribuent à la capacité d'un matériau à résister à la chaleur.

Les travaux ont montré que HF-Ta-C combine une chaleur de fusion élevée (l'énergie libérée ou absorbée lors du passage du solide au liquide) avec une petite différence entre l'entropie des phases solide et liquide.

Les chercheurs ont ensuite utilisé ces résultats pour rechercher les composés les plus susceptibles de répondre à ces exigences. Ils ont découvert qu’un composé de hafnium, d’azote et de carbone aurait un point de fusion élevé similaire, mais une différence plus petite entre l’entropie du solide et du liquide. Lorsqu’ils ont calculé le point de fusion, il s’est avéré qu’il était supérieur de 200 K à celui obtenu lors de l’expérience pour le HF-Ta-C.

Points de fusion des alliages Ta-HF-C-N. Les cercles pleins indiquent les températures de fusion calculées dans les systèmes HF-C et Hf-C-N, et les cercles ouverts montrent les données du système Ta-HF-C à des fins de comparaison.

Les travaux pourraient à terme déboucher sur de nouveaux matériaux de haute qualité pour des applications allant des revêtements de turbines à gaz aux pièces d'avions à grande vitesse. Selon les chercheurs, on ne sait pas encore si ce nouveau matériau deviendra HfN 0,38 C 0,51.

Métal tungstène

Le métal le plus réfractaire, le tungstène (wolframium), a été obtenu en 1783. Les chimistes espagnols, les frères d'Eluyar, l'ont isolé du minéral wolframite et l'ont réduit avec du carbone. Actuellement, les matières premières pour la production de tungstène sont des concentrés de wolframite et de scheelite - WO3. La poudre de tungstène est obtenue dans fours électriquesà une température de 700-850 °C. Le métal lui-même est produit à partir de poudre par pressage dans des moules en acier sous pression et ensuite traitement thermique blancs Le dernier point est que le chauffage jusqu'à environ 3 000 °C se produit par le passage d'un courant électrique.

Application industrielle

Le tungstène n'a pas trouvé d'application industrielle pendant longtemps. Ce n'est qu'au XIXe siècle qu'ils commencèrent à étudier l'influence du tungstène sur les propriétés d'aciers de nature différente. Au début du XXe siècle, le tungstène a commencé à être utilisé dans ampoules: un fil fabriqué à partir de celui-ci chauffe jusqu'à 2200 °C. À ce titre, le tungstène est indispensable à notre époque.

Les aciers au tungstène sont également utilisés dans l'industrie de la défense - pour la production de blindages de chars, de torpilles et d'obus, des parties les plus fines d'avions, etc. L'outil, fabriqué en acier au tungstène, peut résister aux processus de travail des métaux les plus intenses.

Le tungstène se distingue de tous les autres métaux par son caractère réfractaire, sa lourdeur et sa dureté particuliers. Le tungstène pur fond à 3 380 °C, mais ne bout qu'à 5 900 °C, ce qui coïncide avec la température à la surface du Soleil.

À partir d'un kilogramme de tungstène, vous pouvez fabriquer un fil de 3,5 km de long. Cette longueur est suffisante pour produire des filaments pour 23 000 ampoules de 60 watts.

Les métaux font partie des matériaux les plus courants, avec le verre et les plastiques. Ils sont utilisés par les humains depuis l’Antiquité. Dans la pratique, les gens apprenaient les propriétés des métaux et les utilisaient de manière rentable pour fabriquer de la vaisselle, des articles ménagers, diverses structures et œuvres d'art. Les principales caractéristiques de ces matériaux sont leur caractère réfractaire et leur dureté. En fait, de ces qualités dépend leur application dans un domaine particulier.

Propriétés physiques des métaux

Tous les métaux ont les propriétés générales suivantes :

Couleur - gris argenté avec un éclat caractéristique. Les exceptions sont : le cuivre et l’or. Ils se distinguent respectivement par une teinte rougeâtre et jaune.
L’état physique est solide, sauf le mercure qui est liquide.
La conductivité thermique et électrique s'exprime différemment pour chaque type de métal.
La plasticité et la malléabilité sont des paramètres variables selon le métal spécifique.
Points de fusion et d'ébullition - établit le caractère réfractaire et la fusibilité, a des valeurs différentes pour tous les matériaux.

Tous propriétés physiques les métaux dépendent de la structure du réseau cristallin, de sa forme, de sa résistance et de sa disposition spatiale.

Caractère réfractaire des métaux

Ce paramètre devient important lorsque se pose la question de l’utilisation pratique des métaux. Pour un tel industries importantes économie nationale, comme la construction aéronautique, la construction navale, la construction mécanique, la base est constituée de métaux réfractaires et de leurs alliages. De plus, ils sont utilisés pour la fabrication d’outils de travail à haute résistance. De nombreuses pièces et produits importants sont fabriqués par moulage et fusion. En fonction de leur résistance, tous les métaux sont divisés en métaux fragiles et durs, et en fonction de leur caractère réfractaire, ils sont divisés en deux groupes.

Métaux réfractaires et à bas point de fusion

Réfractaires - leur point de fusion dépasse le point de fusion du fer (1539 °C). Ceux-ci incluent le platine, le zirconium, le tungstène et le tantale. Il n’existe que quelques types de ces métaux. En pratique, ils sont encore moins utilisés. Certains ne sont pas utilisés car ils ont une radioactivité élevée, d'autres sont trop fragiles et n'ont pas la douceur nécessaire, d'autres sont sensibles à la corrosion et d'autres encore ne sont pas économiquement viables. Quel métal est le plus réfractaire ? C’est exactement ce qui sera discuté dans cet article.
Les métaux à bas point de fusion sont des métaux qui, à une température inférieure ou égale au point de fusion de l'étain (231,9 °C), peuvent changer d'état d'agrégation. Par exemple, le sodium, le manganèse, l'étain, le plomb. Les métaux sont utilisés dans l'ingénierie radio et électrique. Ils sont souvent utilisés pour les revêtements anticorrosion et comme conducteurs.

Le tungstène est le métal le plus réfractaire

C'est un matériau dur et lourd avec un éclat métallique, de couleur gris clair et très réfractaire. Usinage difficile de céder. À température ambiante, c'est un métal fragile qui se brise facilement. Ceci est dû à une contamination par des impuretés d’oxygène et de carbone. Le tungstène techniquement pur devient plastique à des températures supérieures à 400 degrés Celsius. Il présente une inertie chimique et réagit mal avec les autres éléments. Dans la nature, le tungstène se présente sous forme de minéraux complexes, tels que :

scheelite;
la wolframite;
ferbérite;
hübnérite.

Le tungstène est obtenu à partir du minerai par un traitement chimique complexe sous forme de poudre. Grâce à des méthodes de pressage et de frittage, des pièces et des barres de forme simple sont produites. Le tungstène est un élément très résistant à la température. Par conséquent, ils n’ont pas pu ramollir le métal pendant cent ans. Il n’existait pas de fours capables de chauffer jusqu’à plusieurs milliers de degrés. Les scientifiques ont prouvé que le tungstène est le métal le plus réfractaire. Bien qu'il existe une opinion selon laquelle le seaborgium, selon les données théoriques, est plus réfractaire, cela ne peut pas être affirmé avec certitude, car il s'agit d'un élément radioactif et a une courte durée de vie.

Informations historiques

Le célèbre chimiste suédois Karl Scheele, qui exerçait le métier de pharmacien, a découvert le manganèse, le baryum, le chlore et l'oxygène dans un petit laboratoire, menant de nombreuses expériences. Et peu avant sa mort en 1781, il découvrit que le minéral tungstène est un sel d'un acide alors inconnu. Après deux ans de travail, ses étudiants, les deux frères d'Eluyar (chimistes espagnols), isolèrent du minéral un nouvel élément chimique et le nommèrent tungstène. Seulement un siècle plus tard, le tungstène – le métal le plus réfractaire – a révolutionné l’industrie.

Propriétés de coupe du tungstène

En 1864, le scientifique anglais Robert Muschet a utilisé le tungstène comme additif d'alliage à l'acier, capable de résister à la chaleur rouge et d'augmenter encore la dureté. Les fraises, fabriquées à partir de l'acier obtenu, ont augmenté la vitesse de coupe du métal de 1,5 fois, pour atteindre 7,5 mètres par minute.

Travaillant dans cette direction, les scientifiques ont acquis de nouvelles technologies qui augmentent la vitesse de traitement des métaux à l'aide de tungstène. En 1907, un nouveau composé de tungstène avec du cobalt et du chrome est apparu, qui est devenu le fondateur d'alliages durs capables d'augmenter la vitesse de coupe. Actuellement, elle est passée à 2 000 mètres par minute, et tout cela grâce au tungstène, le métal le plus réfractaire.

Applications du tungstène

Ce métal a un prix relativement élevé et est difficile à traiter mécaniquement, il est donc utilisé là où il est impossible de le remplacer par d'autres matériaux ayant des propriétés similaires. Le tungstène résiste parfaitement aux températures élevées, possède une résistance importante, est doté de dureté, d'élasticité et de caractère réfractaire, il trouve donc utilisation répandue dans de nombreux domaines industriels :

Métallurgique. C'est le principal consommateur de tungstène, qui entre dans la production haute qualité aciers alliés.
Électrotechnique. Le point de fusion du métal le plus réfractaire est proche de 3 400 °C. Le caractère réfractaire du métal lui permet d'être utilisé pour la production de filaments incandescents, de crochets dans les lampes d'éclairage et électroniques, d'électrodes, de tubes à rayons X et de contacts électriques.

Génie mécanique. En raison de la résistance accrue des aciers contenant du tungstène, des rotors, des engrenages, des vilebrequins et des bielles forgés sont fabriqués.
Aviation. Quel est le métal le plus réfractaire utilisé pour produire des alliages durs et résistants à la chaleur, à partir desquels sont fabriquées des pièces de moteurs d'avion, des appareils électriques à vide et des filaments incandescents ? La réponse est simple : c'est du tungstène.
Espace. Les buses à jet sont fabriquées à partir d'acier contenant du tungstène, éléments individuels pour les moteurs à réaction.
Militaire. La haute densité du métal permet de produire des obus perforants, des balles, des protections blindées pour torpilles, obus et chars et des grenades.
Chimique. Un fil de tungstène résistant aux acides et aux alcalis est utilisé pour les mailles filtrantes. Le tungstène est utilisé pour modifier la vitesse des réactions chimiques.
Textile. L'acide tungstique est utilisé comme colorant pour les tissus, et le tungstate de sodium est utilisé pour fabriquer du cuir, de la soie, des tissus résistants à l'eau et au feu.

La liste ci-dessus des utilisations du tungstène dans divers domaines industriels indique la grande valeur de ce métal.

Préparation d'alliages avec du tungstène

Le tungstène, le métal le plus réfractaire au monde, est souvent utilisé pour fabriquer des alliages avec d'autres éléments afin d'améliorer les propriétés des matériaux. Les alliages contenant du tungstène sont généralement produits à l'aide de la technologie de la métallurgie des poudres, puisque la méthode conventionnelle transforme tous les métaux en liquides ou gaz volatils à leur point de fusion. Le processus de fusion se déroule sous vide ou sous atmosphère d'argon pour éviter l'oxydation. Un mélange de poudres métalliques est pressé, fritté et fondu. Dans certains cas, seule la poudre de tungstène est pressée et frittée, puis la pièce poreuse est saturée d'un métal fondu d'un autre métal. Des alliages de tungstène avec de l'argent et du cuivre sont ainsi obtenus. Même de petits ajouts du métal le plus réfractaire augmentent la résistance à la chaleur, la dureté et la résistance à l'oxydation dans les alliages contenant du molybdène, du tantale, du chrome et du niobium. Les proportions dans ce cas peuvent être absolument quelconques, en fonction des besoins de l'industrie. Les alliages plus complexes, en fonction du rapport des composants avec le fer, le cobalt et le nickel, ont les propriétés suivantes :

ne se décolore pas dans l'air;
avoir une bonne résistance chimique;
ont d'excellentes propriétés mécaniques : dureté et résistance à l'usure.

Assez connexions complexes forme du tungstène avec du béryllium, du titane et de l'aluminium. Ils se distinguent par leur résistance à l’oxydation à haute température, ainsi que par leur résistance à la chaleur.

Propriétés des alliages

En pratique, le tungstène est souvent associé à un groupe d’autres métaux. Pour la fabrication d'instruments chirurgicaux, des composés de tungstène contenant du chrome, du cobalt et du nickel, qui présentent une résistance accrue aux acides, sont utilisés. Et les alliages spéciaux résistants à la chaleur, en plus du tungstène, le métal le plus réfractaire, contiennent du chrome, du nickel, de l'aluminium et du nickel. Le tungstène, le cobalt et le fer sont inclus dans la composition meilleures marques acier magnétique.

Les métaux les plus fusibles et réfractaires

Les métaux à bas point de fusion comprennent tous les métaux dont le point de fusion est inférieur à celui de l'étain (231,9 °C). Les éléments de ce groupe sont utilisés comme revêtements anticorrosion, dans l'ingénierie électrique et radio et font partie des alliages antifriction. Le mercure, qui a un point de fusion de -38,89 °C, est un liquide à température ambiante et est largement utilisé dans les instruments scientifiques. lampes au mercure, redresseurs, interrupteurs, dans la production de chlore. Le mercure a le point de fusion le plus bas par rapport aux autres métaux inclus dans le groupe fusible. Les métaux réfractaires comprennent tous les métaux dont le point de fusion est supérieur à celui du fer (1 539 °C). Ils sont le plus souvent utilisés comme additifs dans la fabrication des aciers alliés et peuvent également servir de base à certains alliages spéciaux. Tungstène ayant température maximale point de fusion 3420 °C, en forme pure utilisé principalement pour les filaments des lampes électriques.

Assez souvent dans les mots croisés, des questions sont posées : quel métal est le plus fusible ou le plus réfractaire ? Désormais, sans hésiter, vous pouvez répondre : le plus fusible est le mercure, et le plus réfractaire est le tungstène.

En bref sur le matériel

Ce métal est appelé le principal matériau de structure. Les pièces en fer se trouvent à la fois sur vaisseau spatial ou un sous-marin, et à la maison dans la cuisine sous forme de couverts et de décorations diverses. Ce métal a une couleur gris argenté, possède des propriétés douces, ductiles et magnétiques. Le fer est un élément très actif ; un film d'oxyde se forme dans l'air, ce qui empêche la poursuite de la réaction. La rouille apparaît dans un environnement humide.

Point de fusion du fer

Le fer est ductile, se forge facilement et est difficile à couler. Ce métal durable est facilement traité mécaniquement et est utilisé pour la fabrication de lecteurs magnétiques. Sa bonne malléabilité lui permet d'être utilisé pour ornements décoratifs. Le fer est-il le métal le plus réfractaire ? A noter que son point de fusion est de 1539 °C. Et par définition, les métaux réfractaires regroupent les métaux dont le point de fusion est supérieur à celui du fer.

On peut affirmer avec certitude que le fer n'est pas le métal le plus réfractaire, et n'appartient même pas à ce groupe d'éléments. Il appartient aux matériaux à point de fusion moyen. Quel est le métal le plus réfractaire ? Une telle question ne vous surprendra plus maintenant. Vous pouvez répondre en toute sécurité - c'est du tungstène.

Au lieu d'une conclusion

Environ trente mille tonnes de tungstène sont produites chaque année dans le monde. Ce métal entre certainement dans la composition les meilleures variétés aciers pour la fabrication d'outils. Jusqu'à 95 % de tout le tungstène produit est consommé pour les besoins de la métallurgie. Pour réduire le coût du procédé, ils utilisent principalement un alliage moins cher composé de 80 % de tungstène et de 20 % de fer. Utilisant les propriétés du tungstène, son alliage avec le cuivre et le nickel est utilisé pour produire des conteneurs destinés au stockage de substances radioactives. En radiothérapie, le même alliage est utilisé pour fabriquer des écrans, offrant une protection fiable.

Les curieux s’intéressent probablement à la question : quel métal est le plus réfractaire ? Avant d’y répondre, il convient de comprendre le concept même de caractère réfractaire. Tous les métaux connus de la science ont des points de fusion différents en raison des différents degrés de stabilité des liaisons entre les atomes du réseau cristallin. Plus la liaison est faible, plus la température nécessaire pour la rompre est basse.

Les métaux les plus réfractaires au monde sont utilisés sous leur forme pure ou en alliages pour produire des pièces fonctionnant dans des conditions thermiques extrêmes. Ils peuvent résister efficacement à des températures élevées et prolonger considérablement la durée de vie des unités. Mais la résistance des métaux de ce groupe aux effets thermiques oblige les métallurgistes à recourir à des méthodes de production non standard.

Quel métal est le plus réfractaire ?

Le métal le plus réfractaire sur Terre a été découvert en 1781 par le scientifique suédois Carl Wilhelm Scheele. Nouveau matériel appelé tungstène. Scheele a pu synthétiser du trioxyde de tungstène en dissolvant le minerai dans de l'acide nitrique. Le métal pur a été isolé deux ans plus tard par les chimistes espagnols Fausto Fermin et Juan José de Eluar. Le nouvel élément n'a pas été immédiatement reconnu et a été adopté par les industriels. Le fait est que la technologie de l'époque ne permettait pas de traiter une telle substance réfractaire, de sorte que la plupart des contemporains n'attachaient pas beaucoup d'importance à la découverte scientifique.

Le tungstène a été apprécié bien plus tard. Aujourd’hui, ses alliages sont utilisés dans la production de pièces résistantes à la chaleur pour diverses industries. Le filament des lampes domestiques à décharge est également en tungstène. Il est également utilisé dans l'industrie aérospatiale pour la production de tuyères de fusée et comme électrodes réutilisables dans le soudage à l'arc gazeux. En plus d'être réfractaire, le tungstène possède également une densité élevée, ce qui le rend adapté à la fabrication de clubs de golf de haute qualité.

Les composés de tungstène contenant des non-métaux sont également largement utilisés dans l'industrie. Ainsi, le sulfure est utilisé comme lubrifiant résistant à la chaleur pouvant supporter des températures allant jusqu'à 500 degrés Celsius, le carbure est utilisé pour fabriquer des fraises, des disques abrasifs et des forets capables de gérer les substances les plus dures et de résister à des températures de chauffage élevées. Considérons enfin la production industrielle du tungstène. Le métal le plus réfractaire a un point de fusion de 3 422 degrés Celsius.

Comment obtient-on le tungstène ?

Le tungstène pur n’existe pas dans la nature. Il fait partie des roches sous forme de trioxyde, ainsi que des wolframites de fer, de manganèse et de calcium, moins souvent de cuivre ou de plomb. Selon les scientifiques, la teneur en tungstène la croûte terrestre la moyenne est de 1,3 gramme par tonne. C’est un élément plutôt rare par rapport aux autres types de métaux. La teneur en tungstène du minerai après extraction ne dépasse généralement pas 2 %. Par conséquent, les matières premières extraites sont envoyées vers des usines de traitement, où la fraction massique de métal est portée à 55-60 % par séparation magnétique ou électrostatique.

Le processus de production est divisé en étapes technologiques. Dans un premier temps, du trioxyde pur est isolé du minerai extrait. A cet effet, la méthode de décomposition thermique est utilisée. À des températures de 500 à 800 degrés Celsius, tous les éléments en excès fondent et le tungstène réfractaire sous forme d'oxyde peut être facilement récupéré de la masse fondue. Le résultat est une matière première avec une teneur en oxyde de tungstène hexavalent de 99 %.

Le composé obtenu est soigneusement broyé et une réaction de réduction est effectuée en présence d'hydrogène à une température de 700 degrés Celsius. Cela permet d'isoler du métal pur sous forme de poudre. Ensuite, il est pressé sous haute pression et fritté dans un environnement d’hydrogène à des températures de 1 200 à 1 300 degrés Celsius. Après cela, la masse résultante est envoyée dans un four de fusion électrique, où, sous l'influence du courant, elle est chauffée à une température supérieure à 3 000 degrés. C’est ainsi que le tungstène passe à l’état fondu.

Pour la purification finale des impuretés et l'obtention d'un réseau structurel monocristallin, la méthode de fusion de zone est utilisée. Cela implique qu'à un moment donné, seule une certaine zone de superficie totale métal En se déplaçant progressivement, cette zone redistribue les impuretés, de sorte qu'elles finissent par s'accumuler au même endroit et peuvent être facilement éliminées de la structure de l'alliage.

Le tungstène fini arrive à l'entrepôt sous forme de barres ou de lingots, destinés à la production ultérieure des produits souhaités. Pour obtenir des alliages de tungstène, tout éléments constitutifs broyé et mélangé en poudre dans les proportions requises. Ensuite, le frittage et la fusion sont effectués dans un four électrique.

À les réfractaires sont des métaux dont le point de fusion est supérieur à 1700°C : tungstène, molybdène, tantale, niobium, chrome, zirconium, rhénium. Le plus souvent, ils sont produits par métallurgie des poudres en utilisant des technologies de fusion et de purification électriques sous vide.

Application de métaux réfractaires :

produits d'équipements d'électro-vide;

éléments chauffants;

évaporateurs dans les installations de dépôt thermique pour produire des films minces hautement conducteurs et résistifs;

résistances à couches minces ;

thermocouples pour mesurer des températures élevées.

Tous les métaux réfractaires, lorsqu'ils sont chauffés dans l'air à des températures supérieures à 600°C, s'oxydent intensément pour former des oxydes volatils. Par conséquent, comme éléments chauffants ils fonctionnent sous vide ou dans une atmosphère inerte protectrice, telle que l'argon. Les métaux réfractaires ont une pression de vapeur négligeable - qualité importante pour le matériau de l'évaporateur lors de la production de films minces.

Le tungstène (W) est le plus réfractaire de tous les métaux (Tm = 3400° C), possède une dureté élevée et une bonne conductivité

(ρ = 0,055 µΩ m).

Le tungstène est l'un des matériaux les plus importants pour la technologie de l'électrovide. Grâce à la structure fibreuse acquise grâce au forgeage et à l'étirage, le fil de tungstène fin d'un diamètre allant jusqu'à 0,01 mm est très flexible. Le tungstène est le principal matériau utilisé pour fabriquer les filaments des lampes à incandescence. Cependant, les fils et les spirales en tungstène pur deviennent cassants à haute température en raison des processus de recristallisation, accompagnés d'une croissance intensive des grains jusqu'à la taille coupe transversale fil. Pour améliorer les propriétés du tungstène pur, divers additifs y sont introduits. L'oxyde de thorium Th2 O3 ralentit le processus de recristallisation et empêche la croissance des grains, l'ajout d'oxydes de silicium SiO2 et d'aluminium Al2 O3 améliore la stabilité dimensionnelle du fil de tungstène. En électronique

Dans la production de produits sous vide, les qualités de tungstène VA (avec additif silicium-aluminium) et VT (avec additif oxyde de thorium) sont utilisées.

Les cathodes sont en tungstène haute tension lampes génératrices puissantes, tubes à rayons X avec température de fonctionnement 2 200…2 800 K. Les cathodes en tungstène ont une émission électronique stable et la capacité de fonctionner sous vide poussé. Les cathodes en tungstène thorié VT ont des propriétés d'émission plus élevées.

Le tungstène a le moins coefficient de température expansion linéaire parmi tous les métaux purs (αl =

4.4 10-6 K-1). Cette propriété est utilisée pour réaliser des jonctions de tungstène thermiquement résistantes avec des verres réfractaires.

Le tungstène et ses alliages avec le molybdène, l'iridium, le rhénium sont également utilisés pour les éléments chauffants fonctionnant à des températures supérieures à 1200°C, et pour les thermocouples haute température. En raison de sa dureté élevée, de sa résistance à l'arc, de sa résistance à l'érosion électrique et de sa faible soudabilité, le tungstène est largement utilisé dans les contacts de coupure à charge élevée.

Le molybdène (Mo) est un analogue du tungstène, mais un peu moins réfractaire (T pl = 2620° C) et moins dur. Le molybdène recuit avec une structure à grains fins est beaucoup plus ductile que le tungstène ; il est largement utilisé pour diverses pièces de configurations complexes ; Parmi tous les métaux réfractaires, le molybdène a la résistivité la plus faible (ρ = 0,05 μOhm m).

Le molybdène est utilisé pour les éléments chauffants dans les fours électriques à haute température (jusqu'à 1700°C) fonctionnant sous atmosphère protectrice. Le molybdène est utilisé pour fabriquer des grilles et des électrodes de tubes électroniques et d'autres pièces auxiliaires d'appareils électriques à vide (crochets, fils, pendentifs) fonctionnant dans des conditions thermiques intenses.

D'une grande importance pratique alliages de tungstène-molybdène, qui forment une structure de solution solide sur toute la plage de concentration. Les alliages contenant 45 % de Mo ont une résistivité et une dureté maximales ainsi qu'une résistance élevée à l'érosion. Ils sont utilisés pour les contacts fortement chargés dans un environnement protecteur. Les alliages W-Mo sont également utilisés

pour les filaments à incandescence des lampes électriques et des cathodes chauffantes, car ils ont des propriétés mécaniques plus élevées que le tungstène pur, bien que des températures de fonctionnement admissibles plus basses.

Rhénium (Re) - rare et métal lourd avec un point de fusion proche du point de fusion du tungstène (T pl = 3180°C). Le rhénium est dur et durable, comme le tungstène, et ductile, comme le molybdène, a une haute résistivité(ρ = 0,214 µOhm m), résistant aux arcs CC. Le rhénium est souvent utilisé dans les alliages pour contacts de coupure fortement chargés, par exemple les alliages W+15...20%Re se caractérisent par une résistance à l'usure accrue.

Le rhénium et ses alliages avec le tungstène sont utilisés dans la production d'appareils électriques à vide à la place du tungstène, car ils s'évaporent moins dans une atmosphère d'hydrogène et ont une durée de vie plus longue. Les alliages Re- et W-Re sont utilisés pour les thermocouples jusqu'à 2 500…2 800 °C dans un environnement protecteur.

DANS En radioélectronique, le rhénium est utilisé pour la protection contre la corrosion

Et usure des pièces en cuivre, tungstène et molybdène. Des films minces de rhénium sont utilisés pour les résistances de précision dans les circuits intégrés.

Le tantale (Ta) est quelque peu inférieur en caractère réfractaire au tungstène (Tm = 3000° C), mais le dépasse largement en ductilité, ce qui permet de produire des pièces façonnées, des fils et des feuilles jusqu'à 10 microns d'épaisseur. Le tantale forme en surface un film d'oxyde dense Ta2O5, stable jusqu'à une température de 1500°C. Cette propriété est utilisée dans la fabrication de condensateurs électrolytiques et à couches minces à haute capacité spécifique, obtenus par oxydation anodique.

Le tantale est largement utilisé dans la technologie du vide électrique pour les pièces critiques : anodes et grilles de lampes génératrices, cathodes à incandescence. En raison de sa capacité à absorber les gaz dans la plage de température de 600 à 1 200 °C, le tantale est utilisé dans les équipements sous vide comme stabilisateur de vide poussé (getter). Le tantale est également utilisé dans les technologies de couches minces pour la production de résistances. Dans l'air, l'azote se dissout activement dans le film de tantale avec formation d'un film de nitrure de Ta2N, qui possède des propriétés très stables.

Le niobium (Nb) est un métal aux propriétés similaires au tantale, mais plus fusible (Tm = 2 500 °C) et possède une capacité d'absorption de gaz élevée dans la plage de température de 400 à 900 °C. Par conséquent, dans les appareils à vide électriques, les pièces en niobium remplissent simultanément les fonctions d'un getter. Le niobium a le travail de travail électronique le plus faible parmi tous les métaux réfractaires ; il est utilisé comme cathodes à incandescence dans les lampes génératrices de haute puissance. Parmi tous éléments chimiques le niobium a la température critique de transition vers l'état supraconducteur la plus élevée (Tst = 9,2 K). Le niobium, comme le tantale (Tst = 4,5 K), est donc utilisé en technologie cryogénique.

Le chrome (Cr) a un point de fusion relativement bas (Tm = 1900°C) par rapport aux autres métaux réfractaires, mais contrairement aux autres métaux de ce groupe, il est très répandu dans la croûte terrestre. Son trait distinctif- haute résistance à l'oxydation, le chrome est donc utilisé pour les revêtements protecteurs de produits (chromage), y compris ceux fonctionnant à des températures élevées.

Le chrome a une bonne capacité adhésive sur le verre, la céramique, la vitrocéramique et est bien compatible avec d'autres matériaux conducteurs. Ainsi, la technologie de dépôt de films minces de chrome sur un substrat est largement utilisée en microélectronique dans la fabrication de résistances et de sous-couches adhésives pour plages de contact.

Et connexions conductrices.

2.2.5. Métaux et alliages supraconducteurs

Supraconductivité est un état de la matière caractérisé par l'absence résistance électrique. La supraconductivité est observée dans un certain nombre de métaux et d'alliages à des températures proches du zéro absolu. Température de transition vers supraconducteur

l'état actuel est appelé température critique de supraconductivité-T St.

A une température inférieure à Tst, le courant électrique induit dans le circuit supraconducteur circulera indéfiniment, sans diminuer, à condition de maintenir la température à une température basse. Udel-

La résistance du matériau à l'état supraconducteur est d'environ 10 à 25 Ohm·m, soit 1017 fois inférieure à celle du cuivre.

Nature physique de la supraconductivité. Le phénomène de supraconductivité a été découvert pour la première fois dans le mercure ( T St = 4,2 K) par un physicien néerlandais Kamerlinkom-Onessom en 1911. La théorie moderne de la supraconductivité, basée sur des concepts quantiques, a été proposée en 1957 par les scientifiques américains Bardeen, Cooper et Schrieffer. Les travaux de l'académicien soviétique N.N. Bogolyubov ont apporté une contribution significative au développement de la théorie de la supraconductivité.

Dans un métal, les électrons libres se déplaçant dans un milieu d'ions chargés positivement interagissent avec les vibrations thermiques du réseau, échangeant avec lui des quanta d'énergie thermique - les phonons, tandis que les électrons peuvent absorber ou libérer de l'énergie, c'est-à-dire changez votre impulsion. L'échange de phonons entre électrons avec la participation du réseau se produit en continu. À la suite de l'interaction d'échange de phonons, une paire d'électrons avec des impulsions et des spins antiparallèles différents subissent une attraction mutuelle et forment ce qu'on appelle Paire de tonneliers.

Considérons un schéma simplifié (Fig. 9). L'électron 1, se déplaçant entre les ions, attire les ions proches, créant une zone locale de densité de charge positive accrue le long de la trajectoire du mouvement. L'électron 2, se déplaçant après le premier, est attiré par cette zone. En conséquence, indirectement, à travers le réseau, des forces attractives apparaissent entre les électrons. Les forces d'attraction sont faibles, les formations de paires sont faiblement localisées dans l'espace, elles se brisent constamment et se créent, formant un condensat d'électrons.

À basse température (<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.

Riz. 9. Schéma de formation de paires d'électrons dans un supraconducteur

À température nulle absolue, tous les électrons situés près du niveau de Fermi sont liés par paires. À mesure que la température augmente, certaines paires d’électrons se désintègrent. Les électrons non appariés se déplacent des niveaux du sol vers les niveaux excités, et leur mouvement est entravé par la diffusion due aux défauts structurels. A la température Tst, toutes les paires de Cooper sont complètement brisées et l'état de supraconductivité disparaît.

Les supraconducteurs ont des propriétés magnétiques spécifiques. Puisque les électrons de spins opposés sont liés par paires, le moment de spin résultant de la paire est nul et le supraconducteur devient un diamagnétique idéal. Comme tout matériau diamagnétique, les supraconducteurs sont poussés hors d’un champ magnétique. Le champ magnétique externe ne pénètre pas du tout dans l'épaisseur de l'échantillon, s'atténuant dans la couche superficielle la plus fine (10-7 ... 10-8 m). L’effet de poussée est si puissant qu’un aimant permanent peut être maintenu au-dessus d’un anneau de matériau supraconducteur à l’aide d’un champ magnétique. Cependant, l’état de supraconductivité peut être détruit si l’intensité du champ magnétique dépasse une certaine valeur critique H St.

Actuellement, plus de 30 métaux sont connus pour avoir une supraconductivité à des températures cryogéniques, et plus de 1 000

alliages supraconducteurs et composés chimiques de divers éléments. Les paramètres de certains matériaux supraconducteurs sont présentés dans le tableau. 5.

			Tableau 5
Propriétés des matériaux supraconducteurs

Supraconducteur-	Critique	Supraconducteur-	Critique
Supraconducteur-	température Tst,	Supraconducteur-	température Tst,


Élémentaire:


		Composés chimiques :
		Composés chimiques :

		V3 Ga
		V3Si
		Nb3Sn
		Nb3Ga
		Nb3Ge

Sur la base de la nature de la transition d'un matériau d'un état supraconducteur à un état de conductivité électrique ordinaire sous l'influence d'un champ magnétique, on distingue les supraconducteurs de type I et de type II. U Supraconducteurs de type I cette transition se produit brusquement dès que l'intensité du champ atteint une valeur critique. Supraconducteurs de type II passage progressif d’un état à un autre. La plupart des métaux purs sont des supraconducteurs de type I avec des températures de transition critiques inférieures à 4,2 K.

Les supraconducteurs de type II fabriqués à partir de métaux purs comprennent le niobium et le vanadium. De tous les éléments capables de passer à l'état supraconducteur, le niobium a la température de transition critique la plus élevée - 9,4 K. Les supraconducteurs de type II comprennent tous les composés et alliages intermétalliques. Les alliages et composés de niobium présentent les paramètres critiques les plus élevés (température de transition, intensité du champ magnétique critique et courants admissibles). Par exemple, un fil en stannide de niobium Nb3 Sn dans des champs avec une induction d'environ 10 T peut laisser passer un courant de densité supérieure à 109 A/m2 (103 A/mm2). Les alliages supraconducteurs à haute teneur en niobium ont trouvé une utilisation pratique : 65BT (63…68 %Nb + 22…26 %Ti +

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

Par exemple, l'alliage 65BT a une densité de courant critique

2.8. 106 A/m2.

En 1986, on a découvert le phénomène de supraconductivité à haute température, que présentent certains types de céramiques à base de métaux des terres rares avec une disposition caractéristique des atomes. Par exemple, les composés du lanthane La2 -xMxCuO4 (où M = Ba, Sr) se transforment en un état supraconducteur à une température proche de la température de l'azote liquide. Dans les alliages d'yttrium YBa2 Cu3 O7, la transition vers l'état supraconducteur se produit à une température de - 173°C et plus.

De nouveaux matériaux sont en cours de développement, dotés d'une densité de courant plus élevée et d'une température de transition plus élevée vers l'état supraconducteur. Les systèmes dits de bismuth de formule chimique Bi2 Sr2 Ca2 Cu2 Ox, dont la température de transition atteint -158°C sont prometteurs à cet égard.

Les éléments et dispositifs supraconducteurs sont de plus en plus utilisés dans divers domaines scientifiques et technologiques. Pour atteindre un état supraconducteur, ces dispositifs utilisent de l'hélium liquide ou un liquide de refroidissement moins cher - l'hydrogène liquide.

L’une des principales applications des supraconducteurs est associée à la production de champs magnétiques ultra-puissants d’intensité supérieure à 107 A/m. Cela permet de produire des enroulements de générateurs puissants, de machines électriques et de transformateurs avec un faible poids, des dimensions et un très haut rendement. Les systèmes supraconducteurs ne nécessitent pas de source d'alimentation externe. Ils sont également utilisés pour les câbles de lignes électriques de haute puissance, les guides d'ondes à faible atténuation, les dispositifs de mémoire et de contrôle. Les supraconducteurs sont utilisés pour fabriquer des aimants puissants (par exemple des trains à sustentation magnétique), des gyroscopes cryogéniques dont l'armature « flotte » dans un champ magnétique (supports sans friction).