Справочник

Гафний — все о редком металле

гафний металл

Немного об истории рения:

Д.И. Менделеев еще в 1870 году предсказал существования Гафния или 72 элементы химической таблицы. Однако поиск был направлен в сторону редкоземельных металлов. Только в 1921 году Бор представил теорию, где предполагалось, что 72 элемент должен быть подобен по своей структуре цирконию.

Ученые из Венгрии и Голландии: Д. Хевеши и Д. Костер были заняты изучением минералов циркония рентгеноспектральным методом. В ходе исследований они обнаружили Гафний, назвав металл в честь города, где произошло открытие, Копенгаген (лат. Hafnium). Только в 1949 году Hf был утвержден, как элемент периодической таблицы Менделеева и данное название было принято всеми.

По приблизительным оценкам зарубежных источников залежи Гафния на планете составляют около 600 тыс. тонн. Добывают его в основном из руд, содержащих цирконий, где процент Hf довольно низок, всего 1-2 %. Однако некоторые минералы циркония содержат до 4% металла с 72 порядковым номером.

Также минерал скандия, Тортвейтит, содержит несколько процентов Hf, тогда как циркония значительно меньше. Это учитывается при переработке минерала на скандий и извлечения гафния из него.

Если посмотреть на фото гафния, его различные модификации, то можно убедиться в его многообразии. С цирконием он выглядит, как полупрозрачный золотисто-серебряный камень. Силицид гафния – порошок почти черного цвета, даже без намека на блеск, диоксид гафния напоминает кашу саго (это белые крупинки правильной круглой формы). Наиболее известное место, где достоверно использовался гафний, называют лунный модуль Аполлон (его сопло изготовлено из карбида гафния).

Силицид гафния

На фото силицид гафния

В чистом виде Hf эстетически приятный на вид металл, ковкий, плавкий. Покрывается окислительной пленкой, за счет чего долгое время хранится на открытом воздухе без видимых изменений.

Применение гафния обуславливается его физическими и химическими свойствами

Наиболее важными считаются такие параметры:

  • гафний обладает гексагональной решеткой;
  • имеет плотность чистого вещества при t 20 °С равна 13,09 г/см3;
  • плавится и кипит при таких температурах: 2222 °С, 4600 °С, соответственно;
  • поглощает тепловые нейтроны;
  • интересен высокой эмиссионной способностью.

Как уже отмечалось, Hafnium очень схож своими химическими свойствами с цирконием. Подобны и их соединения. Однако ощутимая разница в поперечных сечениях захвата нейтронов (в тысячи раз) делает их принципиально отличными элементами с точки зрения атомной и ядерной физики. Hafnium хорошо подходит для изготовления регуляторов стержней реакторов, а также защитных экранов от потока нейтронов.

Широкое применение гафний нашел в реакторах

Широкое применение гафний нашел в реакторах

Такие радиально противоположные свойства уже более полувека заставляют ученых работать над проблематикой экономически выгодных методов получения чистых материалов: Hf и Zr.

Конкретные места применения сплавов и соединений

Кроме атомной промышленности, гафний востребован в металлургии, как легирующее вещество. Будучи тугоплавким металлом, он делает сплавы с кобальтом, никелем, титаном более прочными.

Благодаря этому HfCo нашли свое применение в турбостроении, а также нескольких видах промышленности: пищевой, нефтяной, химической.

завод турбостроения

Фото с завода турбостроения ОАО «Турбоатом»

HfNi добавление даже малой доли гафния в сплавы никеля положительно влияют на процессы сварки, швы получаются равномерными, незаметными и прочными, как и весь сплав. Дополнительно к этому повышается антикоррозийная способность материала.

Износостойкие нитридные покрытия, используемые на лопастях газовых турбин методом катодно-ионной бомбардировки, легируют, применяя катоды из циркония с гафнием (ЦГ20). Это в 3-4 раза увеличивает эксплуатационную пригодность.

HfТi легированный титан активно используется в судостроительстве, где активно применяется для деталей двигателей.

Сверхмощные постоянные магниты, например, тербия и самария не обходятся без присутствия Hf в своих составах.

Также славятся своей тугоплавкостью карбид гафния (20), считающийся аналогом карбида тантала (80).

Гафний значительно улучшает свойства алюминия. Всего 1% легирующего металла и можно говорить о прочном сплаве, повышенном пределе прочности при механических деформациях: сдвиг и кручение. Улучшается вибростойкость.

Благодаря высокой диэлектрической проницаемости Hf, может стать элементом следующего поколения, его оксиды должны заменить SiO в микроэлектронике. Интересный факт: Intel Penryn использует HfО в 45- нмпроцессорах.

Кроме того, высокий показатель преломления оксида гафния способствует тому, чтобы использовать его при изготовлении приборов ночного виденья (это специальные марки стекол).

Большое будущее ждет HfSi, который также обладает высокой диэлектрической проницаемостью (специальная керамика). Также в микроэлектронике требуются резистивные пленки с заданными параметрами: сплавы Hf и скандия – отличный материал для их производства.

Еще одна область, где активно применяется Hf – это производство многослойных рентгеновских зеркал. При их изготовлении силицид гафния не принимает прямого вхождения. Однако общий вид формулы HfB2 + SiC + Si говорит об активном участии бромида и кремния в создании прочных стекол. Подобная методика используется для выполнения высокопрочных пленок напылением или нанесением специальной кисточкой. Иногда данную методику так и называют поверхностное легирование.

рентгеновская комната

То ли правда, то ли ложь

 

Еще в 50-60-ые годы прошлого столетия конкурирующие государства США и СССР работали над созданием «гафниевой пули». Переход электронов на более высокие энергетические уровни происходит с поглощением кванта энергии. Когда электрон перескакивает на более низкий уровень – квант испускается. Это хорошо знакомая многим теория. Этот факт используется при создании лазеров.

Подобные процессы с захватом и испусканием происходят внутри атомного ядра, некоторых элементов. Примером служит гафниевый изотоп 176Hf. При накачивании его гамма-излучением, нуклонные поверхности загоняются в верхние энергетические уровни, остаются там в метастабильном состоянии. При переходе на низкий энергетический уровень нуклонные поверхности испускают дополнительное гамма-излучение.

пуля

Подсчитано, что 1грамм такого гафния может заменить 50 кг тротила. Однако есть ряд статей, где досконально объясняются трудности добычи изотопа гафния 176. Это не только трудно, а также экономически нерентабельно, как оказалось, даже для двух держав, ведущих жесткую конкуренцию в области военного влияния (США и СССР имеются ввиду).

Насколько, удалось найти в литературе, тогда же в 50-60-ые были приостановлены испытания по использованию этого металла для военных нужд (создания оружия).

Гафний на рынке вторичного сырья

Столь многогранные формы использования Hf порождают не малый интерес к металлу на рынке вторичного сырья. Объявления «куплю гафний в любом виде» сопровождают почти каждый пункт, принимающий лом радиоэлектроники и не только. Цена Hf достаточно высока на рынке металлов.

Крупные промышленные корпорации также заинтересованы в приобретении металла, поскольку мировая годовая добыча гафния, чаще всего пропорциональна получению циркония и это очень низкие показатели.

Между тем даже на экранах мониторов, телевизоров, среди лома радиодеталей есть доля гафния, который принимают даже в таком виде (хотя сдавать приходится на лом бытовой предмет, иногда даже оплачивая утилизацию).

Силицид гафния довольно распространенный материал, который также востребован на рынке вторичного сырья.

Готовы потребители покупать йодидный Hafnium, не упоминавшийся до этого. Это специальные прутки необходимые для проведения исследований. Этот материал описан ГОСТ 22517-77. Там можно найти подробное описание тому, как проверяют качество гафния. Впрочем, с 1977 года часть появилось много более совершенных методов.

   

Комментарии