碳化鋁

碳化鋁
	IUPAC名; Aluminium carbide
別名	三碳化四鋁
識別
CAS號	1299-86-1 ; 12656-43-8
PubChem	16685054
ChemSpider	21241412
SMILES	[Al+3].[Al+3].[Al+3].[Al+3].[C-4].[C-4].[C-4];
InChI	1/3C.4Al/q3-4;4+3;
InChIKey	TWHBEKGYWPPYQL-UHFFFAOYAR
UN編號	UN 1394
EINECS	215-076-2
MeSH	Aluminum+carbide
性質
化學式	Al4C3
莫耳質量	143.95853 g·mol⁻¹
外觀	淡黃棕色到無色（純淨物）晶體
氣味	無味
密度	2.93 g/cm3
熔點	2200 °C（2473 K）
沸點	1400 °C分解
溶解性（水）	水解
結構
晶體結構	六方晶系, 菱面體, hR21
空間群	R3m（No. 166）
晶格常數	a = 0.3335 nm, b = 0.3335 nm, c = 0.85422 nm
晶格常數	α = 78.743°, β = 78.743°, γ = 60°
熱力學
ΔfHm⦵298K	-209 kJ/mol
S⦵298K	88.95 J/mol K
熱容	116.8 J/mol K
危險性
	GHS危險性符號;
GHS提示詞	Warning
H-術語	H261, H315, H319, H335
P-術語	P231+232, P261, P264, P271, P280, P302+352, P304+340, P305+351+338, P312, P321, P332+313, P337+313, P362, P370+378
	若非註明，所有數據均出自標準狀態（25 ℃，100 kPa）下。

碳化鋁，又名三碳化四鋁，化學式為Al₄C₃，是一種鋁的碳化物。外觀為淡黃色至褐色晶體。在高達1400°C的溫度下仍保持穩定。它在水中分解並產生甲烷。

結構

碳化鋁具有複雜的晶體結構，由Al₂C和Al₂C₂交替層組成。每個鋁原子與4個碳原子配位形成四面體排列。碳原子存在於兩種不同的結合環境中：第一個是由6個鋁原子組成的變形八面體，距離為217 pm。另一種是扭曲的三角雙錐體結構，由190–194 pm處的4個鋁原子和221 pm 處的第五個鋁原子組成。^[3]^[4]

反應

碳化鋁會水解並釋放出甲烷。該反應在室溫下進行，但加熱會迅速反應：^[5]

Al₄C₃ + 12 H₂O → 4 Al(OH)₃ + 3 CH₄

其他質子試劑也會發生類似的反應：^[1]

Al₄C₃ + 12 HCl → 4 AlCl₃ + 3 CH₄

將適當的Ti、Al₄C₃石墨混合物在約40 MPa下熱等靜壓，在1300 °C下持續15小時，主要產生Ti₂AlC_0.5N_0.5的單相樣品，在1300 °C下持續30小時，主要產生Ti₂AlC單相樣品。^[6]

製備

碳化鋁可在電弧爐中使鋁和碳直接反應製備^[3]：

4Al + 3C → Al₄C₃

另一種反應是從氧化鋁開始，但由於會產生一氧化碳，因此不太常用：

2 Al₂O₃ + 9 C → Al₄C₃ + 6 CO

碳化矽也會與鋁反應生成碳化鋁。這種轉化限制了碳化矽的機械應用，因為碳化鋁比碳化矽更脆：^[7]

4 Al + 3 SiC → Al₄C₃ + 3 Si

在碳化矽增強的鋁基複合材料中，碳化矽和鋁熔體的化學反應生成了一層碳化鋁覆蓋在碳化矽顆粒表面，雖然增加了碳化矽顆粒的浸潤性，但降低了材料的強度。^[8]通過使用合適的氧化物或氮化物在碳化矽顆粒表面形成一層二氧化矽塗層能夠降低發生這類反應的趨勢。^[9]

鋁－碳化鋁合金可以通過機械合金化或將鋁粉和石墨粒子混合來製備。

產生

少量碳化鋁是電石中的常見雜質。在電解冶鍊金屬鋁時，碳化鋁作為石墨電極的腐蝕產物。^[10]

在以鋁為基質並且通過碳化物（如碳化矽、碳化硼等）來增大強度的金屬基複合材料或碳纖維中，碳化鋁常常成為不受歡迎的產品。例如碳纖維與鋁基複合材料在500°C之上就能夠發生反應，而如給其覆上一層硼化鈦則能抑制化學反應。^{[來源請求]}

應用

細分散在鋁基複合材料中的碳化鋁顆粒能降低材料蠕變的趨勢，特別是在與碳化矽顆粒相結合時。^[11]

碳化鋁可作為高速切削工具的磨料^[12]，其硬度大致與黃玉相同。^[13]

參考資料

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[13] E. Pietsch, ed.: "Gmelins Handbuch der anorganischen Chemie: Aluminium, Teil A", Verlag Chemie, Berlin, 1934–1935.

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