碳化鉭硬度大、熔點(diǎn)高、高溫性能好，主要用作硬質(zhì)合金添加劑。添加碳化鉭能細(xì)化硬質(zhì)合金的晶粒，是其熱硬度、抗熱沖擊和抗熱氧化等性能得到顯著提高。長(zhǎng)期依賴(lài)多以單一的碳化鉭添加到碳化鎢（或碳化鎢與碳化鈦）中，與黏結(jié)劑金屬鈷混合、成型、燒結(jié)生產(chǎn)硬質(zhì)合金。為了降低硬質(zhì)合金成本，往往使用鉭鈮復(fù)合碳化物，目前主要使用的鉭鈮復(fù)合物有：TaC：NbC為80:20及60:40兩種，碳化鈮在復(fù)合物中的最高量達(dá)到40%（一般認(rèn)為不超過(guò)20%為好）。

制備方法

TaC的制備方法有碳熱還原金屬氧化物、碳與Ta直接反應(yīng)、金屬鹵化物與碳?xì)浠衔锏臍庀喾磻?yīng)等。

（1）還原法

制備工藝主要為：氧化鉭或碳粉末與碳混合，在高溫、氫氣保護(hù)下或真空條件下進(jìn)行一次及二次碳化生成碳化鉭。需要進(jìn)行二次碳化的原因是第一次碳化由于多種因素的影響，碳化不徹底，產(chǎn)品中的化合碳、游離碳及雜質(zhì)等都難達(dá)到要求。二次碳化在真空條件下過(guò)量的碳與鉭生成碳化物。影響碳化物質(zhì)量的主要因素有：配碳量、原料粒度與純度、裝料方式、碳化溫度、碳化時(shí)間、二次碳化等。上述方法只能制備塊狀或大顆粒狀的TaC。

從工業(yè)角度考慮，金屬氧化物的碳熱還原法是使用得最廣泛的一種方法，但其還原溫度在1500℃以上，反應(yīng)速率十分緩慢，更高溫度反應(yīng)時(shí)TaC顆粒容易長(zhǎng)大，降低其力學(xué)性能。工業(yè)上，利用球磨法制備微米級(jí)碳化鉭粉末，方法是將固體碳球和五氧化二鉭混合后放在真空和氬氣氣氛中球磨，在1700℃的高溫下，進(jìn)行還原和滲碳處理，可以得到粒度尺寸大于2μm的碳化鉭粉末。

為了加快反應(yīng)速度，改善傳統(tǒng)方法的缺陷，微波還原法可以很好地提高粉末擴(kuò)散速率，使反應(yīng)溫度降低50-100℃，并縮短處理時(shí)間，節(jié)省能量，節(jié)約成本。其制備工藝為：Ta2O5+碳黑在1250℃-1500℃微波還原，加熱速度大于100℃/min，超過(guò)1400℃時(shí)，Ta2O5完成轉(zhuǎn)化為T(mén)aC，而沒(méi)有生成任何中間相或Ta的低價(jià)氧化物。

（2）化合法

化合法是一種常見(jiàn)的固相法制備TaC工藝。在一定的條件下，T啊和C發(fā)生化學(xué)反應(yīng)直接生成TaC：

Ta（s）+C（s）→TaC（s）

陳為亮等[iii]在真空條件下，1500℃合成了TaC，研究了鉭粉的碳化機(jī)理發(fā)現(xiàn)，實(shí)際碳化溫度（1300-~2100℃）下，由于Ta2C的標(biāo)準(zhǔn)生成自由焓比TaC的小得多(約小52-57kJ/mol)，碳化初期生成Ta2C的趨勢(shì)很大。碳原子通過(guò)TaC層擴(kuò)散進(jìn)入Ta2C間隙中，Ta2C晶格中碳原子濃度逐漸提高，TaC層逐漸向Ta2C核心推進(jìn)，最終完全轉(zhuǎn)化為單相TaC顆粒。

（3）化學(xué)氣相沉積法

CVD法制備TaC涂層需要用到源物質(zhì)-TaCl5。TaCl5在500K時(shí)氣化，將氣化了的TaCl5做為氣源倒入CVD爐，與其他導(dǎo)入的還原氣氛一起沉積生成TaC，其反應(yīng)過(guò)程如下：

TaCl5+CmHn+H2→TaC+HCl+H2

用CVD工藝制備TaC涂層時(shí)其工藝控制性好、可設(shè)計(jì)涂層成分和結(jié)構(gòu)，但由于存在殘余熱應(yīng)力，所制備涂層易出現(xiàn)裂紋。而且沉積TaC時(shí)易伴隨生成Ta2C，同時(shí)對(duì)設(shè)備性能的要求及維護(hù)較嚴(yán)格，制備成本高。

熱絲CVD也可用于制備TaC涂層。將Ta絲加熱到2000℃以上，激活氣體進(jìn)行沉積，而由于Ta熔點(diǎn)高，高溫沉積時(shí)Ta絲不發(fā)生變形，沉積速率高。Tsutsumoto[iv]在啊H2-CH4氣氛中，30托壓力下，將φ0.5mm的Ta絲加熱到2500℃進(jìn)行CVD。

（4）液相浸漬法

LPI是以焊Ta前驅(qū)體為浸漬劑，對(duì)胚體進(jìn)行浸漬、固化，通過(guò)熱處理使含Ta前驅(qū)體轉(zhuǎn)化為T(mén)aC的過(guò)程。崔紅等[v]以研磨好的Ta2O5為原料粉末，利用超聲震蕩法使其均勻分布于樹(shù)脂匯總，浸漬一定密度的C/C材料（約0.5g/cm3），經(jīng)固化、炭化、高溫?zé)崽幚淼裙ば?，制備TaC含量不同的C/C復(fù)合材料（密度達(dá)1.90g/cm3）。

此工藝的優(yōu)點(diǎn)是材料中Ta2O5含量容易控制，工藝簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，成本低。缺點(diǎn)是需要高壓設(shè)備為使TaC達(dá)到一定含量，需要進(jìn)行反復(fù)浸漬，工藝繁雜，周期長(zhǎng)。此外由于浸漬劑有一定的粘度，難以浸入到坯體的微米、亞微米孔隙中，生成的TaC難以呈連續(xù)網(wǎng)狀分布，從而導(dǎo)致最終所制備材料有一定的孔隙度，材料的性能降低。

（5）溶膠-凝膠（sol-gel）

溶膠-凝膠法制備涂層的基本原理是將金屬醇鹽或無(wú)機(jī)鹽做為前驅(qū)體，溶于溶劑中形成均勻溶液，溶質(zhì)與溶劑產(chǎn)生水解或醇解反應(yīng)，反應(yīng)生成物聚集成幾個(gè)納米左右的粒子，并形成凝膠，再以溶膠為原料對(duì)各種基材進(jìn)行涂膜處理，溶膠膜經(jīng)凝膠化及干燥處理后得到干凝膠膜，最后在一定溫度下燒結(jié)可得到所需涂層。

（6）有機(jī)前驅(qū)體熱分解炭化法

該工藝是以沸點(diǎn)較低的過(guò)渡金屬有機(jī)前驅(qū)體為原料，高溫下，使其分解，然后在H2和CH4的混合氣流中高溫炭化分解產(chǎn)物，制備碳化物的過(guò)程。Souza等[vi]從氧化鉭中合成了草酸鉭前驅(qū)體。在硫酸氫鈉中加熱氧化鉭使之溶解，將熔融產(chǎn)物溶于硫酸后，用氨水中和，生成Ta2O5·H2O沉淀，將陳定溶于等摩爾的草酸或草酸氨溶液中，制備草酸鉭前驅(qū)體，并在CH4-H2氣氛中進(jìn)行熱解 、碳化，1000℃即可獲得TaC粉末。制備的TaC粉末在惰性氣氛中經(jīng)1400℃、10h燒結(jié)后，致密度可達(dá)理論值的96%。

該工藝中，碳化時(shí)由于發(fā)生氣一固反應(yīng)，降低了TaC生成溫度，比傳統(tǒng)炭熱還原Ta2O5制備TaC的溫度低500℃左右。但是，制備草酸擔(dān)前驅(qū)體的過(guò)程十分繁瑣，限制該工藝的廣泛使用。

碳化鉭的主要用途是硬質(zhì)合金，電容器，電子器件、高溫構(gòu)件、化工設(shè)備和穿甲彈等。

1.硬質(zhì)合金

碳化鉭在硬質(zhì)合金中發(fā)揮了重要作用，它通過(guò)改善纖維組織和相變動(dòng)力學(xué)而提高合金性能，使合金具有更高的強(qiáng)度，相穩(wěn)定性和加工變形能力。碳化鉭的熔點(diǎn)非常高（4000℃），熱力學(xué)穩(wěn)定性好（熔點(diǎn)時(shí)△Gf=-154kj/mol）。鉭能夠特別有效地促進(jìn)成核作用，防止凝固后期形成的核晶脆性薄膜中析出碳[i]。其作用主要為：（1）阻止硬質(zhì)合金晶粒的長(zhǎng)大；（2）與TiC一起形成WC和Co之外的第三彌散相，從而顯著增加硬質(zhì)合金抗熱沖擊、抗月牙洼磨損及抗氧化的能力，并提高其紅硬性。

研究者對(duì)于TaC對(duì)WC-Co硬質(zhì)合金的增強(qiáng)作用進(jìn)行了大量的研究。林木壽認(rèn)為添加TaC能提高γ相中W的固溶度[ii]；Suzuki H等認(rèn)為T(mén)aC可擴(kuò)大WC-Co合金兩相區(qū)寬度，因而可調(diào)節(jié)合金的碳含量[iii]；劉壽榮[iv]的研究表明，Ta在γ相中的固溶使W固溶度下降，而C在γ相中固溶度相應(yīng)提高，因而TaC可稍微提高WC-Co合金的碳含量，同時(shí)TaC可延緩WC在γ相中溶解析出過(guò)程，可以阻止WC晶粒普遍長(zhǎng)大。實(shí)際應(yīng)用中，由于TaC在γ相中固溶度有限（w=0.3%），而人們通常在合金中所添加的TaC量都已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出此飽和固溶度值，TaC必然主要以TaC-WC固溶體形式析出而以游離態(tài)存在，但其晶粒尺寸(1μm～2μm)大于WC晶粒尺寸(<1μm)，因此，游離的TaC-WC固溶體晶粒不可能完全分布在WC-γ相界上。

TaC以不同的方式加入到合金中，也會(huì)極大的影響合金的性能。余振輝研究表面，TaC以TiC-TaC-W C固溶體相較之以單質(zhì)形式加入到合金中，形成的WC核TiC-TaC-WC相有著較粗的亞晶尺寸和較小的微觀應(yīng)變，且前者具有較好的物理力學(xué)性能和較長(zhǎng)的切削壽命 。

2.電子工業(yè)

近年來(lái)，過(guò)渡金屬碳化物由于具有化學(xué)穩(wěn)定性，硬度高，抗氧化及耐腐蝕能力強(qiáng)，電阻系數(shù)低等諸多優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。碳化物納米材料在金屬涂層，工具，機(jī)器零部件以及復(fù)合材料等相關(guān)領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。在所有的碳化物納米線材料中，碳化銀是最受歡迎的材料之一，也是潛力最大的材料之一。碳化鉭不但繼承了碳化物納米材料諸多優(yōu)點(diǎn)，還具有其自身的獨(dú)特一面。如硬度高（常溫下莫氏硬度為9-10、熔點(diǎn)高（大約為3880℃）、楊氏模量高（283-550GPa）、導(dǎo)電性強(qiáng)（電導(dǎo)率25℃時(shí)為32.7-117.4μΩ·cm）、高溫超導(dǎo)（10.5K）、抗化學(xué)腐燭及熱震能力強(qiáng)、對(duì)氨分解及氫氣分離有很高的催化活性。

目前，通過(guò)碳熱還原法，熱等離子體，溶劑熱，溶膠凝膠，微波加熱，堿化物還原，自蔓延高溫合成以及高頻感應(yīng)加熱燒結(jié)等方法，己經(jīng)制備出了碳化鉭粉末及須狀碳化鉭。

3.高溫合金

在碳化物中，耐熔性最好的是碳化鉭（TaC）（熔點(diǎn)3890℃）和碳化鉿（HfC）（熔點(diǎn)3880℃），其次是碳化鋯（ZrC）（熔點(diǎn)3500℃）。在高溫下，這幾種材料機(jī)械性能極好，大大超過(guò)最好的多晶石墨，尤其碳化鉭，是在2900℃-3200℃溫度范圍內(nèi)唯一能保持一定機(jī)械性能的材料，但其缺點(diǎn)是對(duì)熱震極為敏感，碳化物的低導(dǎo)熱系數(shù)和高熱膨脹系數(shù)，成為宇航材料中應(yīng)用的最大障礙。而將碳化鉭加入到炭/炭復(fù)合材料中，將擁有更高的導(dǎo)熱性和更低的熱膨脹條件，發(fā)揮難熔金屬的抗氧化性和耐燒蝕性。