Химический элемент необычайно коррозионно стойкий металл и превосходный поглотитель нейтронов

Обновлено: 04.05.2024

ГА́ФНИЙ -я; м. [лат. Hafnium] Химический элемент (Hf), серебристо-белый тугоплавкий металл (используется в атомной промышленности как компонент лёгких жаропрочных и тугоплавких сплавов).

(лат. Hafnium), химический элемент IV группы периодической системы. Название от позднелатинского Hafnia — Копенгаген. Серебристо-белый тугоплавкий металл; плотность 13,35 г/см 3 , t_пл 2230ºC. Материал для регулирующих стержней и защиты ядерных реакторов, электродов плазмотронов, компонент жаропрочных и тугоплавких сплавов для авиационной и ракетной техники.

ГА́ФНИЙ (лат. Hafnium), Hf (читается «гафний»), химический элемент с атомным номером 72, атомная масса 178,49. Природный гафний состоит из шести изотопов с массовыми числами 174 (0,18%), 176 (5,20%), 177 (18,50%), 178 (27,14%), 179 (13,75%) и 180 (35,23%). Конфигурация внешнего и предвнешнего электронных слоев 5s 2 p 6 d 2 6s 2 . Наиболее характерна степень окисления гафния +4 (валентность IV). Соединения в степенях окисления +3 и +2 (кластерные) малоустойчивы. Расположен в группе IVB в 6-м периоде периодической системы. Радиус атома 0,159 нм, радиус иона Hf 4+ 0,082 нм. Энергии последовательной ионизации 7,5, 15,0, 23,3, 33,3 эВ. Электроотрицательность по Полингу (см. ПОЛИНГ Лайнус) 1,6.
История открытия
Существование гафния было предсказано Д. И. Менделеевым (см. МЕНДЕЛЕЕВ Дмитрий Иванович) в 1870. Открыт гафний был в 1923 датчанином Д. Костером (см. КОСТЕР Дирк) и венгром Д. Хевеши (см. ХЕВЕШИ Дьердь) в Копенгагене (отсюда и название: от латинского Hafnia — Копенгаген) при изучении цирконийсодержащего образца методом рентгеновской спектроскопии. Металлический гафний приготовлен впервые Хевеши в 1926 восстановлением гафната калия K₂HfO₃ натрием:
K ₂ HfO₃ + 4Na = Hf + K ₂O + 2Na₂ O
Нахождение в природе
Содержание гафния в земной коре (3—4)·10 –4 % по массе. Относится к рассеянным элементам. Собственных минералов не образует, встречается в виде примеси к минералам циркония (см. ЦИРКОНИЙ) .
Получение
Получают попутно с цирконием. Отделить гафний от всегда сопутствующего ему в природе элемента-аналога циркония очень трудно из-за близости их химического поведения, что объясняется близостью ионных радиусов Hf 4+ и Zr 4+ . Разделение проводят с помощью ионного обмена и экстракцией растворителями.
После отделения методом экстракции и дробной кристаллизации получают комплексный фторид K₂[HfF₆]. Далее проводят магний-, кальций- или натрийтермию в атмосфере Ar или He:
K₂[HfF₆] + 4Na = 4NaF + 2KF + Hf
Гафний получают также восстановлением HfO₂ кальцием (см. КАЛЬЦИЙ) при 1300 °C:
HfO₂ + 2Ca = Hf + 2CaO
Глубокую очистку получаемого таким образом гафния проводят в химическом реакторе при 600 °C:
Hf + 2I₂ = HfI₄,
В горячей зоне реактора на тонкой вольфрамовой проволоке, нагреваемой электрическим током до 1300—1750 °C, HfI₄ разлагается на Hf и I₂. Пары иода снова реагируют с исходным гафнием. Очищенный гафний переплавляют в дуговых и электроннолучевых печах.
Физические и химические свойства
Компактный гафний — серебристо-белый блестящий металл. Порошкообразный — темно-серый, матовый.
Ниже 1740 °C устойчив гексагональный a-Hf со структурой магния (a = 0,31883 нм, c = 0,50422 нм). Плотность 13,350 кг/дм 3 . Выше 1740 °C устойчив b-Hf с кубической объемно-центрированной решеткой типа a-Fe (а = 0,3615 нм). Гафний тугоплавок, температура плавления 2230 °C, кипения — 4620 °С.
Механические свойства гафния зависят от его чистоты и способа обработки. Примеси кислорода, азота, углерода, водорода придают гафнию хрупкость, облучение нейтронами увеличивает его твердость; отжиг восстанавливает первоначальные свойства.
По химическим свойствам гафний подобен цирконию (см. ЦИРКОНИЙ) . При нормальных условиях устойчив к коррозии из-за образования оксидной пленки HfO₂. При нагревании химическая активность гафния возрастает. При температурах выше 700 °C он реагирует с кислородом воздуха:
Hf + O₂ = HfO₂
С азотом при 700—800 °C образуется нитрид гафния HfN
2Hf + N₂ = 2HfN
Тетрагалогениды гафния (HfCl₄, HfBr₄ и HfI₄) образуются из простых веществ при 200—400 °C.
При 350—400 °C металлический гафний поглощает водород с образованием гидрида HfH₂, выше 400 °C гидрид отдает водород.
Гафний взаимодействует с кислотами, только если создаются условия окисления и образования анионных комплексов Hf(IV). Мелко раздробленный гафний растворяется в плавиковой кислоте (см. ФТОРИСТОВОДОРОДНАЯ КИСЛОТА) :
Hf + 6HF = H₂[HfF₆] + 2H₂
В смеси азотной и плавиковой кислот и в царской водке идут реакции:
3Hf + 4HNO₃ + 18HF = 3H₂[HfF₆] + 4NO – + 8H₂O,
3Hf + 4HNO₃ + 18HCl = 3H₂[HfCl₆] + 4NO – + 8H₂O
С концентрированной серной кислотой гафний взаимодействует только при кипячении:
Hf + 5H₂SO₄ = H₂[Hf(SO₄)₃] + 2SO₂ – + 4H₂O
Гафний устойчив к растворам щелочей.
При окислении гафния последовательно возникает несколько нестехиометрических оксидов, высшим из которых является HfO₂. Он существует в трех модификациях с температурами переходов 1650 °C и 2500 °C. Плавится HfO₂ при температуре 2780 °C.
Диоксид HfO₂ не растворяется в воде, концентрированных соляной и азотной кислотах, но взаимодействует с концентрированной плавиковой и серной кислотами. С расплавленными щелочами HfO₂ реагирует с образованием солей — гафнатов:
HfO₂ + 2NaOH = Na₂HfO₃ + H₂O
При подкислении растворов гафнатов выделяется гидратированный гелеобразный оксид HfO₂·xH₂O (гидроксид гафния):
Na₂HfO₃ + HCl = NaCl + HfO₂·xH₂O,
При нагревании HfO₂·xH₂O теряет воду:
HfO₂·xH₂O —> HfO(OH)₂ —> HfO₂
Безводный хлорид гафния HfCl₄ получают нагреванием смеси оксида HfO₂ и C:
HfO₂ + C + 2Cl₂ = HfCl₄ + 2CO.
В водных растворах соли гафния существуют в виде сложных ассоциатов, из которых можно выделить кристаллогидраты:
Hf(OH)₂Cl₂·7H₂O и Hf(OH)₂(NO₃)₂·H₂O.
При нагревании с сильными восстановителями тетрагалогениды гафния переходят в три- и дигалогениды (HfCl₃ и HfCl₂). Получен также HfCl.
Применение
Основная часть производимого гафния в виде HfO₂ применяется для изготовления регулирующих стержней ядерных реакторов и защитных экранов. Применяется в качестве материала для катодных трубок и электродов в выпрямителях и газоразрядных трубках высокого давления. Жаропрочные сплавы гафния с танталом (см. ТАНТАЛ (химический элемент)) , молибденом (см. МОЛИБДЕН) и вольфрамом (см. ВОЛЬФРАМ) используются для изготовления камер сгорания реактивных двигателей.

Энциклопедический словарь . 2009 .

Полезное

Смотреть что такое "Гафний" в других словарях:

ГАФНИЙ — (Hafnium), Hf, химический элемент IV группы периодической системы, атомный номер 72, атомная масса 178,49; металл. Гафний открыт нидерландским физиком Д. Костером и венгерским радиохимиком Д. Хевеши в 1923 … Современная энциклопедия

гафний — кельтий Словарь русских синонимов. гафний сущ., кол во синонимов: 3 • кельтий (1) • металл … Словарь синонимов

ГАФНИЙ — (лат. Hafnium) Hf, химический элемент IV группы периодической системы, атомный номер 72, атомная масса 178,49. Назван от позднелат. Hafnia Копенгаген. Серебристо белый тугоплавкий металл; плотность 13,35 г/см³, tпл 2230 .С. Материал для… … Большой Энциклопедический словарь

ГАФНИЙ — (символ Hf), ПЕРЕХОДНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, серебристый металл, впервые открытый в 1923 г. Источник получения примеси в минералах ЦИРКОНИЯ. Используется как ЗАМЕДЛИТЕЛЬ в регулирующих стержнях АТОМНЫХ РЕАКТОРОВ. Свойства: атомный номер 72; атомная масса 178 … Научно-технический энциклопедический словарь

Гафний — Hf (Hafnium, от позднелат. Hafnia назв. г. Kопенгаген, где был открыт * a. hafnium; н. Hafnium; ф. hafnium; и. hafnio), хим. элемент IV группы периодич. системы Mенделеева, ат. н. 72, ат. м. 178,49. Природный Г. состоит из 6 стабильных… … Геологическая энциклопедия

ГАФНИЙ — (от позднелат. Hafnia Копенгаген; лат. Hafnium), Hf, хим. элемент IV группы периодич. системы элементов, ат. номер 72, ат. масса 178,49. Природный Г. состоит из 6 стаб. изотопов с массовыми числами 174, 176 180, из них 174Hf обладает слабой… … Физическая энциклопедия

гафний — Hf Элемент IV группы Периодич. системы; ат. н. 72, ат. м. 178,49; серебристо белый металл. В состав природного Hf входят 6 стабильных изотопов с массовыми числами 174, 176—180. Существование Hf предсказано Д. И. Менделеевым в 1870 г.… … Справочник технического переводчика

ГАФНИЙ — хим. элемент, символ Hf (лат. Hafnium), ат. н. 72, ат. м. 178,49; серебристо белый тугоплавкий металл, плотность 13090 кг/м3, tпл = 2222 °С. Содержится в рудах соединений циркония, из которых его и получают. Г. применяется для изготовления… … Большая политехническая энциклопедия

Гафний — 72 Лютеций ← Гафний → Тантал … Википедия

гафний — (назв. по месту открытия позднелат. hafnia Копенгаген) хим. элемент, символ Hf (лат. hafnium); серебристо белый металл; примен. как материал для изготовления катодов и нитей накаливания в электролампах, в рентгено и радиотехнике, входит в состав… … Словарь иностранных слов русского языка

Металл гафний - область применения и цена за кг

Прочный, твердый и тугоплавкий химический элемент серебристо-белого цвета. Впервые металл гафний, как химический элемент был открыт в 1923 году в столице Дании физиками Костером и Хивеши в результате выщелачивания металлического циркония кипящими кислотами из норвежской циркониевой руды.

Полученные в результате переработки оставшиеся химические вещества были подвержены тщательному анализу, и который анализ показал, что линии полученной рентгенограммы абсолютно точно совпадают с расчетно-ожидаемыми результатами для неизвестного в то время элемента №72, существование которого предсказал еще Менделеев. Обнаруженный металл было предложено назвать гафний, отнести его к 4-й группе и обозначить в периодической системе символом Hf.

Более подробные исследования определили, что этот химический элемент всегда присутствует в соединениях циркония, но в свободной форме в природе практически не встречается. При этом химические свойства, недавно открытого металла, полностью идентичны характеристикам элемента №40 - циркония.

В этом же 1923 году ученым удалось впервые выделить металлический гафний с чистотой 99%. Дальнейшие разработки позволили найти несколько различных способов разделения гафния и циркония, но все они оказались недостаточно эффективными, да и практического интереса в то время не представляли.

Ситуация с раздельным получением циркония и гафния стала меняться с развитием атомной энергетики. Физические свойства циркония способны обеспечить эффективное поглощение нейтронов, а примеси гафния снижают эти показатели более чем в 20 раз. Поэтому первоначально разделение этих двух химических элементов производилось с целью повышения чистоты циркония, а гидроокись гафния шла как побочный отвальный продукт и первоначально производителей и металлургов не заинтересовала.

Физические свойства элемента

Тугоплавкий гафний имеет температуру плавления 2222ºC и температуру кипения 5400ºC. Его плотность составляет 13,31 г/см 3 . Благодаря этим физическим качества гафний широко используется для изготовления высокопрочных и жаростойких материалов в металлургии, а так же в качестве легирующей добавки для получения новых прочных, термически устойчивых и нержавеющих материалов.

Чистый металл пластичен и может быть подвержен горячей и холодной обработке, хорошо сваривается и может быть применен для изготовления особо ответственных металлических конструкций, узлов и деталей.

Сплавы с использованием гафния

По своему внешнему виду и коррозионной стойкости сплавы металлов гафния и циркония не уступают по своим свойствам серебру, но значительно дешевле его. Благодаря этому материал получил достаточно широкое применение в электротехнике и электронике.

Применение подобных сплавов и соединений для изготовления сварочного оборудования и резки металла во много раз увеличивает рабочий ресурс и позволяет повысить качество обработки заготовок.

Легированный гафнием титан и его сплавы, применяют для изготовления особо ответственных узлов судовых двигателей, получения качественных сварных швов и улучшения показателей коррозионной стойкости металлов. При добавлении всего 1% этого металла в алюминий можно получать легкие и очень прочные сплавы.

Гафний используют при создании сверхмощных магнитов постоянного типа на основе редкоземельных материалов. Его применяют для изготовления многослойных высококачественных зеркальных материалов для технических нужд и научных исследований.

Сегодня ведутся разработки по использованию гафния для изготовления сверхмощных аккумуляторов, которые будут способны заменять по 2-3 тонный бензина на каждый килограмм веса источника электрической энергии.

Область применения

В середине XX века для гафния были определены шесть существующих изотопов, при этом каждый из них имеет свою способность к поглощению илучения. Этот химический элемент начинают использовать для изготовления стержней-поглотителей при работе ядерных реакторов. Были открыты и другие полезные свойства этого металла. И в результате за 10 лет производство гафнияувеличилось с 40 кг/год до 60 тонн.

72-й химический элемент имеет высокую механическую прочность, отличается жаростойкостью и рядом других полезных свойств. Поэтому кроме ядерной энергетики гафний применяют для;

производства особо прочных и жаростойких сплавов в металлургии;
изготовления микросхем и электронных приборов;
в производстве рентгеновских и телевизионных лучевых трубок;
нанесения защитных покрытий от воздействия коррозии;
изготовления электродов в лампах накаливания;
сплав гафния с танталом используется в ракетной технике;
в химическом производстве, как металл устойчивый к воздействию кислот, щелочей и других химически активных веществ.

Высокая прочность и плотность гафниевого материала способствовали его применению в оптике и аэрокосмических отраслях. 90% элемента химического №72 используется сегодня в ядерной энергетике, для изготовления элементов защиты.

Однако высокая стоимость гафния ограничивает его широкое применение и наиболее часто его используют в виде тонкого защитного покрытия на поверхности более дешевых металлов. Дороговизна этих металлов объясняется трудоемкостью его получения, а так же относительно небольшими и рассеянными запасами в земной коре.

География добычи цирконов

Обычное содержание двуокиси гафния в составе цирконов не превышает 2%, и только самые богатые месторождения в Нигерии могут содержать до 5% этого минерала. Высоким содержанием циркониевых руд, содержащих гафний, отличаются прибрежные морские отмели в различных странах мира и речные донные отложения. В Российской федерации месторождения цирконов разрабатываются на Урале в Хибинах.

Статистические данные о мировом уровне добычи сообщают об объемах 50-60 тонн металлического гафния и 2,5 тонн циркония.

Технологии промышленного получения гафния

Исходным сырьем для получения гафния являются минеральные циркониевые руды и в первую очередь ZrSiO₄, в котором присутствует до 2% металла по условиям производства могут быть замещены атомами гафния.

По технологии для получения металлического гафния и циркония минералы измельчают и смешивают с углеродосодержащим материалом, например графитом. После этого такую смесь подают в печь нагретую до 1800˚ C без подачи чистого воздуха на горение. При этом гафний и цирконий с углеродной пылью, образуя карбиды и готовы к дальнейшей технической переработке, но уже по отдельности.

Потом полученные материалы снова измельчают, загружают в шахтную печь и нагревают до 500˚C в присутствии газообразного хлора, для образования тетрахлоридных соединений гафния, циркония и использования их для получения чистых металлов в результате дробной кристаллизации.

По сути, на сегодняшний день весь производимый гафний это результат попутной переработки исходного сырья с целью получения чистого циркония для обеспечения реакторных технологий в ядерной энергетике. При этом для получения 1 кг гафния перерабатывается около 50 кг циркония. Поэтому общие объемы производства этих металлов напрямую зависит от объемов добычи циркония.

Стоимость гафния на мировом рынке

Мировое лидерство в производстве гафния сегодня удерживают американские компании Western Zirconium и Allegheny Technologies, а так же французская Cezus. Они в значительной мере способный повлиять на стоимость этого металла на мировом рынке, которая сегодня в среднем составляет около 710 USD/кг.

В России гафний можно купить в виде металлического листа, проволоки, прутка, отливок или порошка. В чистом виде этот материал распространен не столь широко и наиболее часто применяют в виде специальных сплавов или химических соединений.

Учитывая высокую стоимость гафния, его соединений и сплавов их применение в каждом отдельном случае должно быть технически и экономически обосновано. Использование этого металла в производстве должно происходить только при отсутствии других, более дешевых, материалов для решения технологических и производственных задач.

В условиях столь высоких цен и небольшого уровня добычи вопросы вторичной переработки гафния и его сплавов становятся весьма актуальными и своевременными. Благодаря гафнию появилась возможность создания особо прочных, жаростойких материалов для решения сложнейших инженерных задач.

Гафний

Серебристый ковкий металл

Га́фний / Hafnium (Hf), 72

[Xe]4f 14 5d 2 6s 2

1,3 (шкала Полинга)

Га́фний — тяжёлый тугоплавкий серебристо-белый металл, 72 элемент периодической системы.

Содержание

История открытия и происхождение названия

Элемент был открыт в 1923 г.

Гафний искали среди редкоземельных элементов, так как не было выяснено строение 6-го периода системы Д. И. Менделеева. В 1911 г. французский химик Ж. Урбен объявил об открытии нового элемента, названного им кельтием. В действительности он получил смесь, состоящую из иттербия и лютеция и небольшого количества гафния. И только после того, как Н. Бор на основании квантовомеханических расчётов показал, что последним редкоземельным элементом является элемент с номером 71, стало ясно, что гафний — аналог циркония.

Базируясь на выводах Бора, который предсказал его свойства и валентность, в 1923 Дирк Костер и Дьёрдь де Хевеши систематически проанализировали рентгеноспектральным методом норвежские и гренландские цирконы. Совпадение линий рентгенограмм остатков после выщелачивания циркона кипящими растворами кислот с вычисленными по закону Мозли для 72-го элемента позволило исследователям объявить об открытии элемента, который они назвали гафнием в честь города, где было сделано открытие (лат. Hafnia — латинское название Копенгагена). Начавшийся после этого спор о приоритете между Ж. Урбеном, Н. Костером и Д. Хевеши продолжался длительное время. В 1949 г. название элемента «гафний» было утверждено Международной комиссией и принято всюду.

Получение

Среднее содержание гафния в земной коре около 4 г/т. Ввиду отсутствия у гафния собственных минералов и постоянного сопутствия его цирконию, его получают путём переработки циркониевых руд, где он содержится в количестве 2,5 % от веса циркония (циркон содержит 4 % HfO₂, бадделеит — 4-6 % HfO₂). В мире в год в среднем добывается около 70 тонн гафния, и объёмы его добычи пропорциональны объёмам добычи циркония. Интересна особенность скандиевого минерала — тортвейтита: в нём содержится гафния в процентном отношении гораздо больше, чем циркония, и это обстоятельство очень важно при переработке тортвейтита на скандий и концентрировании гафния из него.

Мировые ресурсы гафния

Мировые ресурсы гафния в пересчете на двуокись гафния несколько превышают 1 миллион тонн. Структура распределения этих ресурсов выглядит приблизительно следующим образом:

— более 630 тысяч тонн, — почти 287 тысяч тонн, — чуть более 105 тысяч тонн, — около 70 тысяч тонн, — 9,88 тысяч тонн.

Подавляющая часть сырьевой базы гафния в зарубежных странах представлена цирконом прибрежных морских россыпей.

Запасы гафния в России и СНГ, по оценкам независимых специалистов, весьма велики и в этом отношении при развитии гафниевой промышленности Россия способна стать безусловным лидером на мировом рынке гафния. Стоит также, в связи с этим, упомянуть весьма значительные ресурсы гафния на Украине. Основные гафнийсодержащие минералы в России и СНГ представлены лопаритом, цирконом, бадделеитом, редкометалльными щелочными гранитами.

Физические свойства

Гафний обладает высоким сечением захвата тепловых нейтронов — (115 барн у естественной смеси изотопов [3] ), тогда как у его химического аналога, циркония, сечение захвата на 3 порядка меньше, около 2·10 −1 барн. В связи с этим цирконий, используемый для создания реакторных ТВЭЛов, должен быть тщательно очищен от гафния. Один из редких природных изотопов гафния, 174 Hf, проявляет слабую альфа-активность (период полураспада 2·10 15 лет).

Химические свойства

Гафний, как и тантал, достаточно инертный материал из-за образования тонкой пассивной плёнки оксидов на поверхности. В целом, химическая стойкость гафния гораздо больше, чем у его аналога — циркония.

Лучшим растворителем гафния является фтороводородная кислота (HF), или смесь фтороводородной и азотной кислот, а также царская водка.

При высоких температурах (свыше 1000 К) гафний окисляется на воздухе, а в кислороде сгорает. Реагирует с галогенами. По стойкости к кислотам подобен стеклу. Также как и цирконий, обладает гидрофобными свойствами (не смачивается водой).

Важнейшие химические соединения

Соединения двухвалентного гафния

HfBr₂ — твёрдое вещество чёрного цвета, самовоспламеняющееся на воздухе. Разлагается при температуре 400 °C на гафний и тетрабромид гафния. Получают диспропорционированием трибромида гафния в вакууме при нагревании.

Hf(HPO₄)₂ — белый осадок, растворимый в серной и фтороводородной кислотах. Получают обработкой растворов солей гафния (II) ортофосфорной кислотой.

Соединения трёхвалентного гафния

HfBr₃ — чёрно-синее твёрдое вещество. Диспропорционирует при 400 °C на дибромид и тетрабромид гафния. Получают восстановлением тетрабромида гафния при нагревании в атмосфере водорода или с металлическим алюминием.

Соединения четырёхвалентного гафния

HfO₂ — бесцветные моноклинные кристаллы (плотность — 9,98 г/см³) или бесцветные тетрагональные кристаллы (плотность — 10,47 г/см³). Последние имеют t_пл 2900 °C, малорастворимы в воде, диамагнитны, обладают более осно́вным характером, чем ZrO₂ и обнаруживают каталитические свойства. Получают нагреванием металлического гафния в кислороде или прокаливанием гидроксида, диоксалата, дисульфата гафния.

Hf(OH)₄ — белый осадок, растворяющийся при добавлении щёлочей и пероксида водорода с образованием пероксогафниатов. Получают глубоким гидролизом солей четырёхвалентного гафния при нагревании или обработкой растворов солей гафния (IV) щёлочами.

HfF₄ — бесцветные кристаллы. t_пл 1025 °C, плотность — 7,13 г/см³. Растворим в воде. Получают термическим разложением соединения (NH₄)₂[HfF₆] в токе азота при 300 °C.

HfCl₄ — белый порошок, сублимирующийся при 317 °C. t_пл 432 °C. Получают действием хлора на металлический гафний, карбид гафния или смесь оксида гафния (II) с углем.

HfBr₄ — бесцветные кристаллы. Сублимируются при 322 °C. t_пл 420 °C. Получают действием паров брома на нагретую до 500 °C смесь оксида гафния (II) с углем.

HfI₄ — жёлтые кристаллы. Сублимирует при 427 °C и термически диссоциирует при 1400 °C. Получается взаимодействием гафния с иодом при 300 °C.

Применение

Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.
Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.
Эта отметка установлена 12 мая 2011.

Основные области применения металлического гафния — производство сплавов для аэрокосмической техники, атомная промышленность, специальная оптика.

В атомной технике используется способность гафния к захвату нейтронов, и его применение в атомной промышленности — это производство регулирующих стержней, специальной керамики и стекла (оксид, карбид, борид, оксокарбид, гафнат диспрозия, гафнат лития). Особенностью и преимуществом диборида гафния является очень малое газовыделение (гелий, водород) при «выгорании» бора.
В оптике применяется оксид гафния в связи с его температурной стойкостью (т. пл. 2780 °C) и очень высоким показателем преломления. Значительную сферу потребления гафния составляет производство специальных марок стекла для волоконно-оптических изделий, а также для получения особо высококачественных оптических изделий, покрытия зеркал, в том числе и для приборов ночного видения, тепловизоров. Схожую область применения имеет и фторид гафния. и борид гафния (т. пл. 3250 °C) находят применение в качестве чрезвычайно износоустойчивых покрытий и производства сверхтвердых сплавов. Кроме того, карбид гафния является одним из самых тугоплавких соединений (т. пл. 3960 °C) и используется для производства сопел космических ракет и некоторых конструкционных элементов газофазных ядерных реактивных двигателей.
Гафний отличает сравнительно низкая работа выхода электрона (3,53 эВ), и поэтому он применяется для изготовления катодов мощных радиоламп и электронных пушек. В то же время это его качество наряду с высокой температурой плавления позволяет использовать гафний для производства электродов для сварки металлов в аргоне и особенно электродов (катодов) для сварки низкоуглеродистой стали в углекислом газе. Стойкость таких электродов в углекислом газе более чем в 3,7 раза выше, чем вольфрамовых. В качестве эффективных катодов с малой работой выхода применяется также гафнат бария. в виде мелкопористого керамического изделия может служить чрезвычайно эффективным коллектором электронов при условии испарения с его поверхности в вакууме паров цезия-133, в этом случае работа выхода электронов снижается менее чем 0,1-0,12 эВ и этот эффект может быть использован для создания высокоэффективных термоэмиссионных электрогенераторов и частей мощных ионных двигателей.
На основе диборида гафния и никеля разработано и уже давно используется высокоизносоустойчивое и твердое композиционное покрытие.
Сплавы тантал-вольфрам-гафний являются лучшими сплавами для подачи топлива в газофазных ядерных ракетных двигателях.
Сплавы титана, легированные гафнием, применяются в судостроении (производство деталей судовых двигателей), а легирование гафнием никеля не только увеличивает его прочность и коррозионную стойкость, но и резко улучшает свариваемость и прочность сварных швов. . Добавление гафния к танталу резко увеличивает его стойкость к окислению на воздухе (жаростойкость) за счет образования плотной и непроницаемой пленки сложных оксидов на поверхности, и, кроме всего, эта пленка оксидов очень стойка к теплосменам (тепловой удар). Эти свойства позволили создать очень важные сплавы для ракетной техники (сопла, газовые рули). Один из лучших сплавов гафния и тантала для сопел ракет содержит до 20 % гафния. Также следует отметить большой экономический эффект при применении сплава гафний-тантал для производства электродов для воздушно-плазменной и кислородно-пламенной резки металлов. Опыт применения такого сплава (гафний — 77 %, тантал — 20 %, вольфрам — 2 %, серебро — 0,5 %, цезий — 0,1 %, хром — 0,4 %) показал в 9 раз больший ресурс работы по сравнению с чистым гафнием.
Легирование гафнием резко упрочняет многие сплавы кобальта, очень важных в турбостроении, нефтяной, химической и пищевой промышленности.
Гафний используется в некоторых сплавах для сверхмощных постоянных магнитов на основе редких земель (в частности, на основе тербия и самария).
Сплав карбида гафния (HfC, 20 %) и карбида тантала (TaC, 80 %) является самым тугоплавким сплавом (т. пл. 4216 °C). Кроме того, есть отдельные указания на то, что при легировании этого сплава небольшим количеством карбида титана температура плавления может быть увеличена еще на 180 градусов.
Добавлением 1 % гафния в алюминий получают сверхпрочные сплавы алюминия с размером зерен металла 40-50 нм. При этом не только упрочняется сплав, но и достигается значительное относительное удлинение и повышается предел прочности при сдвиге и кручении, а также улучшается вибростойкость. с высокой диэлектрической проницаемостью на основе оксида гафния в течение следующего десятилетия заменят в микроэлектронике традиционный оксид кремния, что позволит достичь гораздо более высокой плотности элементов в чипах [4] . С 2007 года диоксид гафния используется в 45-нмпроцессорах Intel Penryn[5][6] . Также в качестве диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью в электронике применяется силицид гафния. Сплавы гафния и скандия применяются в микроэлектронике для получения резистивных пленок с особыми свойствами.
Гафний используется для производства высококачественных многослойных рентгеновских зеркал.

Перспективные области применения

Метастабильные ядра гафния-178m2 (период полураспада 31,0 года) содержат избыточную энергию, которая может быть высвобождена с помощью внешнего воздействия на ядро (рентгеновское излучение), и этот эффект может быть применен для конструирования безопасного (не создающего радиоактивного заражения) ядерного оружия. Энергия, выделяемая 1 граммом гафния-178m2, примерно соответствует 50 кг тротила. Метастабильный изомер гафния может быть использован для «накачки» компактных лазеров боевого назначения (замещение части атомов гафния на 178m2 Hf позволяет, используя окись гафния как компонент лазерного кристалла, совместить источник энергии и излучатель).

Мирное применение этого ядерного изотопа интересно тем, что он может быть использован как мощный источник гамма-лучей, допускающий регулировку дозы излучения (дефектоскопия), источник энергии для транспорта, очень ёмкий аккумулятор энергии (1 килограмм примерно эквивалентен 4,35 тонны бензина).

Основной проблемой использования гафния-178m2 является трудность наработки этого ядерного изомера. В то же время он является обычным продуктом (отходом) атомной электростанции (отработанные поглотительные гафниевые стержни). Эксплуатация так называемого «гафниевого цикла» и расширение сектора применения гафния будет возрастать по мере увеличения использования гафния для регулировки реакторов. По мере накопления изомера в странах с развитой атомной промышленностью произойдет и становление «гафниевой энергетики».

Разработками так называемой «гафниевой бомбы» на основе изомера 178m2 Hf с 1998 по 2004 год занималось агентство DARPA [7] . Однако, даже использование источников рентгеновского излучения большой мощности не позволило обнаружить эффект индуцированного распада. В 2005 году было показано [8] , что при использовании существующих на сегодняшний день технологий высвобождение избыточной энергии из ядра гафния-178m2 не представляется возможным.

Читайте также: