Характеристика гафния: свойства и области применения
Металл был открыт интернациональным дуэтом химиков - датским Дирком Костером и венгерским Джорджем Шарлем де Хевеши в 1923 году, которые использовали метод (известный теперь как рентгеновская спектроскопия) изучения расположения внешних электронов атомов в образцах циркониевой руды. Между тем гафний обладает электронной структурой, предсказанной ещё Нильсом Бором, а Костер и Хевеши нашли только соответствующую закономерность.
Большинство циркониевых руд содержат около 5% гафния (при меньшем содержании данного металла месторождения не разрабатываются). Значительное количество продукции производится также и из титановых руд - ильменита и рутила, залежи которых нередко встречаются рядом с циркониевыми.
Металл можно получить восстановлением тетрахлорида гафния, которое происходит в присутствии натрия или магния. Более экономически целесообразным считается получение не чистого металла, а его хлорида. В этом случае продукт может поставляться и в виде порошков, которые содержат механическую смесь диоксида гафния и самого металла гафния. Эта смесь должна иметь определённые технические характеристики. Точный химический состав и свойства смеси разрабатываются на основе рыночного спроса и конкретных соглашений о поставках.
Механические и термические характеристики чистого металла:
- Предел временного сопротивления, МПа – 485.
- Предел текучести, МПа – 125.
- Коэффициент Пуассона – 0,265.
- Модуль сдвига, ГПа – 54…58.
- Коэффициент относительного удлинения при растяжении, % - 25.
- Коэффициент теплового расширения в температурном диапазоне от 20 до 1000С, мкм/м°C - 5,90.
- Удельная теплопроводность, Вт/мК – 22.
Ввиду ограниченного количества экспериментальных данных приведенные выше параметры могут несколько различаться между собой.
Сплавы с гафнием
Промышленное значение имеют также устойчивые соединения рассматриваемого металла с другими химическими элементами. Например, карбид HfC при температуре плавления около 3890°C имеет самую высокую температуру плавления среди всех известных двухэлементных химических соединений. Нитрид HfN также имеет высокую температуру плавления, которая составляет около 3305°C. В индустрии полупроводников используется также оксид гафния.
К другим применяемым на практике соединениям относятся хлорид гафния (HfCl4), фторид гафния (HfF4) и оксид гафния (HfO2).
Гафний, хотя и относится к числу неактивных химических элементов, может успешно легироваться рядом металлов (среди которых железо, титан и ниобий), образуя так называемые суперсплавы. Наиболее известными и востребованными являются суперсплавы с никелем и ниобием. Такие соединения обладают весьма высокой температурой плавления и чрезвычайно устойчивой к внешним воздействиям микроструктурой.
Области применения
Гафний – элемент редкий, поэтому сферы его применения относятся к изделиям особо высокой ответственности. В частности, данный металл является хорошим поглотителем нейтронов и поэтому используется вместо токсичного кадмия в управляющих стержнях ядерных реакторов (подобным тем, которые устанавливаются на атомных подводных лодках). Поскольку металл обладает весьма высокой температурой плавления и устойчивостью от разложения в термически активной среде, то он часто используется вместо вольфрама как элемент наконечника горелок, предназначенных для выполнения операций плазменной сварки.
Суперсплавы данного металла на основе никеля, благодаря их высокой прочности и стабильности при работе при очень высоких температурах, используются в реактивных двигателях и наземных промышленных газовых турбинах для выработки электроэнергии. На это приходится почти 60% текущего мирового спроса.
Благодаря высокотемпературным характеристикам гафния и его соединений металл используется в аэрокосмической промышленности, в основном для производства реактивных двигателей. Так, из сплава на основе ниобия, содержащего 10% гафния, производятся сопла ракетных двигателей, а сверхвысокотемпературная керамика на основе гафния используется для тепловой защиты этих двигателей.
Другие области использования:
- Электрические изоляторы в микрочипах.
- Катализаторы для проведения реакций полимеризации, в частности, полиэтилена и полипропилена.
- В электронных лампах как газопоглотитель - материал, который объединяется с газами и удаляет из них такие вещества, как кислород и азот.
- В тонкоплёночной оксидной форме используется вместо диоксида кремния в сплавах, которые обладают эффектом постоянной памяти. Оксид также применяется в качестве поверхностного покрытия для оптических волокон и диэлектрических зеркал ультрафиолетовых лазеров.
До недавнего времени считалось, что биологическая роль гафния, несмотря на его низкую токсичность, невелика. Однако в последних научных исследованиях подтверждается роль данного металла и его соединений (в частности, наночастиц оксида) в методах лечения онкологических заболеваний.
