金屬鎢是一種銀灰色過渡金屬,元素符號W,原子序數(shù)74,具有高熔點(3422 °C)、高密度(19.35 g/cm3)、高硬度和優(yōu)異的耐高溫性能,廣泛用於航太、國防、電子、電光源和硬質(zhì)合金等領(lǐng)域。
鎢的許多物性隨溫度顯著變化(尤其是熱導(dǎo)率、電阻率、比熱容等),下文給出常溫或近常溫的參考值/範(fàn)圍並在備註中提示溫度依賴性。
機械性能(抗拉強度、屈服強度、壓縮強度等)對材料形態(tài)(緻密單晶、緻密多晶、粉末燒結(jié)體、合金化等級)和缺陷/孔隙極其敏感,下文列出常見多晶或工程用鎢的典型範(fàn)圍。
電學(xué)與熱學(xué)資料(電阻率、%IACS、熱導(dǎo)率)使用的樣本與測試條件會導(dǎo)致±10–20%的差異,設(shè)計時注意餘量與溫度修正。
基本原子與晶體資訊
原子序數(shù):74
元素符號:W
原子量(近似):183.84
晶體結(jié)構(gòu):體心立方(bcc)
晶格常數(shù)(a,室溫,單晶參考值):約3.165 ?
熱學(xué)性質(zhì)
熔點(melting point):3422 °C
沸點(boiling point):約5927 °C
熔化熱(latent heat of fusion):約35–40 kJ/kg·mol
熱導(dǎo)率(thermal conductivity,20 °C):約170–175 W·m?1·K?1(隨溫度下降或上升有一定變化)
比熱容(specific heat,20 °C):約24.27J·mol-1·K-1
熱膨脹係數(shù)(CTE, 20–100 °C):約4.2–4.6×10?? K?1(常用工程值約4.5×10??/°C)
力學(xué)與彈性性質(zhì)(多晶/燒結(jié)體與單晶間存在差異)
密度(20 °C):19.35 g·cm?3(典型值)
楊氏模量(Young's modulus):約400–411 GPa(常用取411 GPa)
泊松比(Poisson's ratio):約0.27–0.28
剪切模量(Shear modulus):約161–165 GPa
體積模量(Bulk modulus):約310–330 GPa
抗拉強度(Tensile strength,工程多晶體/燒結(jié)體):典型範(fàn)圍約550–900 MPa(取決於製備狀態(tài))
屈服強度(Yield strength):約500–700 MPa(受樣品狀態(tài)與溫度影響)
壓縮強度(Compressive strength):約2000–2500 MPa(試樣與測試條件相關(guān))
斷面收縮與延伸率:多晶鎢通常表現(xiàn)為低延伸率(脆性或近脆性行為,室溫下延伸率較低)
硬度與耐磨性
維氏硬度:3430MPa
布氏硬度:2570MPa
電學(xué)與熱電子性能
電阻率(resistivity,20 °C):約5.5–5.7×10?? Ω·m(20 °C 時典型值)
電導(dǎo)率(以 IACS 百分比表示):約15–24% IACS,常用工程近似值約18% IACS
溫度係數(shù)(近室溫):約4.5×10?3 /°C(線性近似,隨溫度變化而變化)
高溫行為與熱穩(wěn)定性
最高工作溫度(應(yīng)用相關(guān)):在無氧或保護氣氛下,鎢可在較高溫度下長時間服役,但在空氣/氧化性氣氛中會發(fā)生高溫氧化,導(dǎo)致脆化與性能下降。
氧化敏感性:在高溫(>400–600 °C,視環(huán)境而異)的環(huán)境下,鎢氧化顯著,因而需在真空、氬氣或還原性氣氛中加工或服役。
化學(xué)穩(wěn)定性與抗腐蝕性
鎢在常溫下對多數(shù)酸堿具有較好化學(xué)穩(wěn)定性(對稀硝酸、鹽酸、硫酸等一般表現(xiàn)穩(wěn)定),但對含氟離子或氫氟酸(HF)具破壞性;在高溫氧化性環(huán)境中鎢會氧化形成WO?等氧化物,在強氧化性酸性介質(zhì)或氟化環(huán)境中,鎢會被溶蝕。
聲學(xué)與熱電子常數(shù)
德拜溫度(Debye temperature):約250–400 K(不同文獻給出不同估計)
電荷載流子密度與電子結(jié)構(gòu)參數(shù):5d 電子主導(dǎo),具體數(shù)值依賴晶體與合金化狀態(tài)。
上述鎢的物性值在單晶、鍛軋/退火多晶、燒結(jié)體、粉末冶金製品之間會有系統(tǒng)性差異;強度、延展性、硬度、導(dǎo)電性與熱導(dǎo)率對顯微組織(晶粒尺寸、孔隙率、夾雜物)較為敏感。在高溫設(shè)計中應(yīng)當(dāng)採用隨溫度變化的屬性曲線(例如熱導(dǎo)率、比熱容、電阻率與熱膨脹係數(shù)均隨溫度的變化而不同),並根據(jù)實際工況選取真空或保護氣氛下的材料資料。