Коррозийно стойкие металлы поглотитель нейтронов

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).

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

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.

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.

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.

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.

1. Крупные промышленные корпорации также заинтересованы в приобретении металла, поскольку мировая годовая добыча гафния, чаще всего пропорциональна получению циркония и это очень низкие показатели.
2. 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).
3. 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.

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/см3. 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.

ПОИСК

    Кадмий в качестве одного нз основных компонентов входит во многие легкоплавкие сплавы. Он применяется в щелочном аккумуляторе, а также как поглотитель нейтронов в ядерных реакторах. [c.334]

    ЦИРКОНИЯ ДИБОРИД ZrB2, серые крист, с металлич.

блеском 3200 °С в воде it орг. р-рителях не раств., разлаг. к-тами. Получ. взаимод. ZrOj с В или В/,С в на-кууъге при 1600 °С нагревание порошкообразного Zr с В. Компонент инструментальных сплавов, керметов абразив огнеупорный материал поглотитель нейтронов в ядериых реакторах. ПДК 5 мг/м .

 [c.686]

    Огнеупорными материалами (огнеупорами) называют неметаллические материалы, характеризующиеся повышенной огнеупорностью, то есть( способностью противостоять, не расплавляясь, воздействию высоких температур. Огнеупоры применяются в промышленном строительстве для кладки металлургических печей, футеровки аппаратуры, работающей при высоких температурах, изготовления термостойких изделий и деталей (тигли, стержни поглотителей нейтронов в атомных реакторах, обтекатели ракет и т.п.). [c.323]

    Применение карбидов весьма разнообразно.

Они используются в качестве абразивных материалов (В4С), огнеупоров (В4С, ТаС), полупроводниковых материалов (В4С), поглотителей нейтронов в ядерных реакторах (В4С), металлокерамических твердых сплавов (ШгС, Т1С, ТаС), как легирующие добавки при получении жаропрочной стали. Карбид кальция применяется для получения ацетилена. [c.259]

    Замедлитель уменьшает скорость (или энергию) нейтронов, а поглотитель представляет собой вещество, захватывающее нейтроны. Эффективными замедлителями являются вещества с небольщой атомной массой, такие, как водород, бериллий или углерод. Прекрасным поглотителем нейтронов служит кадмий. [c.436]

    Титан благодаря высокой термической и коррозионной устойчивости — важный конструкционный материал. Он используется для строительства самолетов, подводных лодок и пр.

Цирконий (освобожденный от гафния) и его некоторые сплавы применяются в атомной энергетике в качестве конструкционных материалов, отражающих нейтроны.

Масштабы применения гафния более ограничены он также используется в атомной энергетике, но как поглотитель нейтронов применяется в электронной технике (катоды телевизионных трубок). [c.500]

    Применяют В4С для изготовления абразивных и шлифовальных материалов, в кач-ве полупроводников или диэлектриков он содержится в наплавочных составах для повышения стойкости металлич. пов-стей к мех. воздействию. Карбид, обогащенный изотопом В, — поглотитель нейтронов в ядерных реакторах. [c.300]

    Ядерные реакции деления хорошо поддаются управлению в ядерных реакторах (ранее называвшихся ядерными котлами ), где скорость образования нейтронов в цепной реакции управляется специальными замедлителями нейтронов, например графитом или тяжелой водой Нг снижающими высокую энергию нейтронов, либо поглотителями нейтронов типа кадмия или бора, вступающими в реакции с захватом нейтронов (рис. 24.10). Такие поглотители позволяют управлять скоростью образования нейтронов в цепной реакции деления и поддерживать скорость [c.436]

    С не раств. в воде о к-тах разлаг. р-рами щелочей при нагревании. По твердости уступает лишь алмазу и BN. Получ. взаимод. В или BiOa с углеродом выше 2000 С. Примеа. для изготовления а азивных и шлифовальных материалов полупроводник обогащенный изотопом В — поглотитель нейтронов в ядерных реакторах. [c.79]

    Титан — важнейший конструкционный материал химического машиностроения, самолетостроения и ракетной техники. Он имеет низкую плотность (р = = 4,51 г/см ), высокую прочность, тугоплавкость и химическую стойкость.

Цирконий используется в атомном реакторостроении ввиду малого сечения захвата нейтронов, а его оксиды и силициды — в производстве термостойких керамик. Гафний — отличный поглотитель нейтронов о большим сечением захвата. [c.

181]

    Использование как ядерного горючего основано на том, что при соударении его ядра с медленным тепловым нейтроном образуется новое ядро неустойчивое и самопроизвольно сразу же распадающееся на два больших фрагмента, состоящих из ядер 8г, и др.

, а также нескольких новых нейтронов, сразу же вступающих в новые ядерные реакции с новыми ядрами Так возникает разветвленная ядерная реакция, в результате которой выделяется 2 10 Дж/моль тепловой энергии, что в 2,5 10 раз превышает количество энергии, выделяющейся при сгорании такой же массы угля. Такой процесс реализуется в атомной бомбе.

Для спокойного протекания той же ядерной реакции в атомном реакторе используются поглотители нейтронов в виде стержней из металлов с большим сечением захвата нейтронов, например кадмия, и замедлители нейтронов в виде графитовых блоков или тяжелой воды ВзО.

Помимо самопроизвольному распаду под действием тепловых нейтронов способен подвергаться также трансурановый изотоп плутония который получают в значительных количествах в атомных реакторах. В настоящее время используется для производства ядерного оружия. [c.193]

    Гафний сочетает достаточно большое сечение захвата с хорошими механическими и коррозионными свойствами Кроме того, он не выгорает под действием излучения, что делает его важным компонентом современных поглотителей нейтронов Цирконий служит хорошим модификатором при производстве стали, повышающим предел прочности и улучшающим свариваемость В быстрорежущ х сталях цирконием можно частично заменить вольфрам Некоторые марки стали содержат до 1 % 2г [c.18]

    При новом способе построения градуировочного графика (рис. 10-5) вначале настраивают прибор на рассчитанное значение сигнала при нулевом поглощении.

Градуировочный график строят по результатам измерений, проводимых с пробами, которые помещают в сосуд определенного размера это позволяет анализировать пробы при заданном наинизшем уровне содержания влаги. Анализируемый материал, находящийся в сосуде, например кокс, предварительно равномерно увлажняют и тщательно перемешивают.

Содержание влаги определяют с помощью ядерного зонда и гравиметрически после высушивания. Для получения при этом надежных данных необходимо обеспечить равновесие в сосуде с пробой.

Гравиметрический метод позволяет определить содержание влаги лишь в конкретной порции материала, с которой проводятся измерения, тогда как метод рассеяния нейтронов дает усредненный результат.

Новый способ калибровки позволяет регулировать уровень сигнала, что дает возможность легко воспроизводить отдельные точки градуировочного графика. Это достигается путем использования передвижного кадмиевого экрана, который служит поглотителем нейтронов. Изменяя глубину погружения экрана или его толщину, можно устанавливать условия, соответствующие различным точкам на градуировочном графике кроме того, новый способ обеспечивает быстрый кон- [c.529]

    В ядерной технике поглотители нейтронов (регулирующие стержни, защитные ма-, териалы — 0(1, 5т, Ей). [c.151]

    Управление воспламенением при помощи стержней но своему характеру напоминает управление ядерными реакциями при помощи стержней из кадмия или бористой стали, служащих хорошими поглотителями нейтронов — носителей цепей при цепном разветвленном распаде ядер ряда элементов. [c.180]

    Силициды применяют для получения жаростойких и кислотоупорных сплавов и в качестве высокотемпературных полупроводниковых материалов. Из дисилицида молибдена Мо312, выдерживающего нагрев до 1600—1700 С в агрессивной атмосфере, изготовляют нагреватели электропечей. Ряд силицидов /-элементов применяется в атомной энергетике в качестве поглотителя нейтронов и т. д, [c.412]

    При исследованиях реактора без отражателя вакуум трактовали как абсолютный поглотитель нейтронов, поэтому добавление любого слоя материала (насколько бы он тонок ни был и каким угодно vibi oiaiM ио1 Лои1,еннем нейтронов ни обладал) к виепгней новерхности активной зоны всо] да полезно, так как он возвращает некоторую, хотя и малую, часть нейтронов, падающих иа него из активной зоны. [c.299]

    С галогенами бор образует соединения ЭНа1з, легко гидролизующиеся в воде. С азотом образует соединение BN различными способами. Есть две формы нитрида бора гексагональный со структурой, похожей на графит, и со структурой цинковой обманки (боразон). Боразон — одно из самых индифферентных в химическом отношении и твердых веществ.

Получается из гексагонального нитрида бора при 1360 С под давлением 62 ООО атм. Гексагональный BN и.меет ширину запрещенной зоны 4 эв, а боразон 7 эв. Проводимость гексагонального BN очень резко растет при нагревании при 1500° С возрастает на 10 порядков.

При накаливании бора с углем в электропечи образуется карбид В4С — хороший поглотитель нейтронов очень твердое вещество температура плавления 2350°С. [c.281]

    Применение металлов подгруппы цинка и их соединений. Большое количество цинка и кадмия расходуется на покрытие изделий из черных металлов в целях защиты их от коррозии. Для этого применяют электрохимические и химические методы. Эти покрытия анодные. Цинк применяется в производстве цинково-угольных элементов (Лекланше), сплавов с медью (латунь, томпак) и как протектор. Кадмий — один из компонентов легкоплавких сплавов (сплавы Вуда, Розе и др.). Его используют как поглотитель нейтронов в регулировании работы ядерных реакторов. Из кадмия готовят электроды щелочных аккумуляторов. Металлическая ртуть применяется для изготовления различных приборов вакуумных манометров и насосов, выпрямителей, ртутных кварцевых ламп, барометров, термометров и т. д. Очищают ртуть фильтрованием через бумагу или замшу и, пропуская ее в виде мелких капель через колонку с раствором нитрата ртути (I), подкисленным азотной кислотой, а также перегоняя в вакууме. [c.364]

    При переработке руд, содержащих РЗЭ, Г. концентрируется вместе с 8т, Ей, ТЬ, Ои и V, от к-рых он отделяется методами экстракции и ионного обмена.

Металлич, Г, получают восстановлением Gd lз или GdFз кальцием, Г,-компонент магн, сплавов с Ре, N1, Со перспективный материал регулирующих стержней ядерных реакторов (поглотитель нейтронов), Gd20з, активированный Ей,-люминофор красного свечения, оксисульфид Gd, активированный ТЬ,-рентгенолюминофор, Гадолиний-галлиевый гранат-материал подложек для наращивания эпитаксиальных пле- [c.450]

    С. используют как компоненты керметов и жаростойких сплавов, т.к. они повышают стойкость к окислению. Из Мо812 изготовляют нагреватели электрич. печей, к-рые могут работать 6 окислит, атмосфере до 1700°С. Многие С. применяют как огнеупорные материалы, в хим.

машиностроении для изготовления облицовки реакторов, деталей иасосов, мешалок, теплообменников и др. С. железа и Мп-осн. компоненты соотв. ферросилиция, силшсомарганца и др. сплавов. С. кальция-основа сплава силикокальций.

Образование силицидных слоев на пов-сти металлов используют для повыщения их жаростойкости. Такими покрытиями защищают Мо, ЫЬ, Та, W и их сплавы. Нек-рые С., в особенности дисилициды Сг, Мп, Со, Ке и др.,-полупроводниковые материалы, работающие при высоких т-рах. С.

РЗЭ, имеющих высокое поперечное сечение захвата тепловых нейтронов, м. б. использованы как поглотители нейтронов, работающие при высоких т-рах. [c.347]

    БОРА НИТРИД BN, 1фист. а-форма подобна по структуре графиту. 0-форма [боразон, < л > 3200 С (с разл.)] — алмазу (образуется из а- рмы выше 1350 С и давл. 6200 МПа) по твердости близок к алмазу. Получ. взаимод. В или ВаОз с NHa в присут. угля или Mg при 2000 °С.

Примен. а-форма — для получ. высокоогнеупорных материалов и термостойкого волокна, полупроводник, сухая сма.зка для подшипников, обогащенный изотопом В — поглотитель нейтронов в ядерных реакторах р-форма — сверхтвердый абразивный материал. [c.

79]

    БОР м. 1. В (Borum), химический элемент с порядковым номером 5, включающий 6 известных изотопов с массовыми числами 8, 10-14 (атомная масса природной смеси 10,81) и имеющий типичные степени окисления +111 я — III. 2.

В , простое вещество, бесцветные кристаллы применяется в атомной технике как поглотитель нейтронов ( В) и как отражатель нейтронов ( В), как легирующий элемент, повы-щающий износостойкость и жаропрочность сталей и др. [c.

59]

Гафний

Даже при беглом взгляде на таблицу химических элементов на ней нетрудно заметить явный географический налет: многие ее обитатели получили свои имена в честь различных городов, стран, континентов. Разумеется, «повезло» далеко не всем географическим названиям.

Так, из материков лишь у Европы и Америки есть химические «тезки». А вот Азия, например, оказалась менее удачливой, чем ее соседки по глобусу, хотя была весьма «близка к успеху».

Вы сами в этом убедитесь, если ознакомитесь с событиями, которые произошли в начале нашего века в Петербурге.

Незадолго до первой мировой войны один из работников Минералогической лаборатории привез в Петербург из Забайкалья с полуострова Святой Нос минерал ортит. В эти годы внимание многих ученых было приковано к проблеме радиоактивности.

Поскольку имелись основания предполагать, что в ортите содержится один из наиболее интересных радиоактивных элементов — торий, минерал решили подвергнуть химическому анализу. Возглавлявший лабораторию замечательный геохимик академик В. И. Вернадский поручил эту работу своему ученику К. А. Ненадкевичу.

Вскоре тому действительно удалось извлечь из ортита крупицы предполагаемого тория, но ученый не был уверен, что выделил именно торий.

По совету Вернадского Ненадкевич определил атомный вес этого элемента. Оказалось, что он равен 178 с десятыми долями, в то время как атомный вес тория 232. Это означало. что в соответствии с периодическим законом выделенный из ортита элемент должен находиться в таблице Д. И. Менделеева между лютецием и танталом — в клетке № 72, которая

107

в то время еще пустовала. Ненадк^вич торжественно объявил Вернадскому: «Мы открыли новый элемент, Владимир Иванович!»

Как ни велико было желание оповестить об этом открытии научный мир, Вернадский все же счел нужным предупредить своего взволнованного ученика: «Подождите радоваться. ' Это надо сто раз проверить, прежде чем объявлять…» Но тут же спросил: «Откуда ортит?»—«Из Забайкалья».—«Значит, родом из Азии. Так и назовем его азием».

Но, видимо, судьбе было неугодно, чтобы самый большой материк «породнился» с простым химическим элементом.

Начавшаяся вскоре первая мировая война, революция, гражданская война отодвигали вопрос об исследовании нового элемента все дальше и дальше, вплоть до того дня, когда…

Впрочем, не будем забегать вперед, а расскажем вам о других событиях, имевших самое прямое -отношение к описываемому элементу.

Когда Менделеев «расселил» в таблице все известные химические элементы, то клетка № 72 осталась незанятой. Можно было лишь предположить, что атомный вес ее будущего обитателя близок к 180, а сам он, располагаясь под цирконием, должен иметь сходные с ним свойства и в природе находиться в компании с ним.

О том, что в циркониевых рудах присутствует какая-то неизвестная примесь, многие химики подозревали и раньше. В XIX веке было опубликовано немало сообщений о якобы открытом в минералах циркония новом элементе.

Названия этого элемента менялись — остраний, норий, яргоний, нигрий, эвксений, но все они жили чуть дольше мыльных пузырей, потому что тщательная научная проверка каждый раз опровергала выводы авторов этих «открытий».

Выяснение личности «семьдесят второго» в значительной мере осложнялось тем, что к этой клетке таблицы примыкало слева «густонаселенное общежитие», где проживало редкоземельное семейство во главе с лантаном.

Никто тогда толком не знал, сколько же «редких земель» существует на свете. Вокруг элемента № 72 разбушевались споры.

Одни ученые продолжали считать, что он должен быть химическим родственником циркония, другие с ними не соглашались, утверждая, что претендент на эту вакансию должен иметь редкоземельное «происхождение».

В 1895 году датчанин Юлиус Томсен выступил с теоретическим обоснованием первой точки зрения, однако противники и не думали складывать оружие. В начале XX века стало широко известно имя французского химика Жоржа Урбена. Он внес немалый вклад в изучение редкоземельных металлов, зато элемент № 72 вправе предъявить ему серьезные претензии. И вот почему.

В 1907 году Урбен открыл лютеций—тот, что занимает в таблице клетку № 71 и замыкает правый фланг в строю лан-таноидов. Сам же Урбен считал, что за лютецием должен располагаться еще один редкоземельный элемент.

В 1911 году химик заявил, что в рудах редких земель им открыт этот последний представитель семейства лантана, который якобы вправе занять пустующее «помещение» № 72.

В честь древних племен кельтов, некогда населявших территорию Франции, Урбен назвал его кельтием.

Спустя два года молодой английский физик Генри Мозли совершил чрезвычайно важное открытие: он установил, что заряд атомного ядра, или, иными словами, порядковый номер элемента, можно определить опытным путем — на основе исследования его рентгеновских спектров. Когда Мозли подверг рентгеноспектральному анализу образец кельтия, он не обнаружил тех линий, которые должен был бы дать спектру элемент № 72. Мозли сделал вывод: «Нет никакого кельтия! Элемент Урбена — всего лишь смесь известных редких земель».

Однако Урбен не хотел примириться с потерей кельтия и поспешил объяснить малоприятные для него результаты опытов Мозли несовершенством приборов, которыми тот пользовался.

А поскольку осенью 1915 года, сражаясь в рядах британского экспедиционного корпуса на Галлипольском полуострове вблизи пролива Дарданеллы, Генри Мозли погиб, возразить Урбену он уже не мог. Более того, когда в 1922 году соотечественник Урбена физик А.

Довилье провел по его просьбе тщательное исследование и заметил в спектре смеси лантаноидов две едва различимые линии, характерные для элемента № 72, кельтий вдовь обрел «права гражданства».

Но радость Урбена была недолгой, и «помог» ему в этом знаменитый датский физик Нильс Бор. К этому времени элек-

тронная теория строения атомов, разработанная Бором, уже вполне позволяла создать модель атома любого элемента. Согласно этой теории, атом элемента № 72 никак не мог походить на атомы редких земель, а, напротив, должен был походить на атомы элементов четвертой группы — титана и циркония.

Итак, на одной чаше весов оказались опыты и рассуждения Урбена, подкрепленные экспериментом Довилье, на другой—мнение Менделеева, рассуждения Томсена и расчеты Бора, пока еще не подтвержденные практическими работами. Так кто же прав?

Вскоре ответ был получен. Дали его венгерский химик Дьердь Хевеши и голландский физик Дирк Костер. Всецело доверяя авторитету Нильса Бора, они предприняли попытку найти элемент № 72 в минералах, циркония.

В 1923 году им удалось обнаружить новый элемент в норвежской циркониевой руде, а рентгеноспектральный анализ показал, что заряд его атомного ядра равен 72. По химическим же свойствам он, как и полагали Менделеев, Томсен и Бор, оказался близким аналогом циркония.

Поскольку научная аргументация открытия была безупречной, в периодической системе появилось новое название — гафний. Хевеши и Костер дали ему это имя в честь древнелатинского названия Копенгагена (Гафния), где состоялось его рождение.

Ошибочность взглядов Урбена и Довилье не вызывала уже сомнений, и кельтию был вынесен приговор: «Из таблицы элементов исключить. Оставить лишь в анналах истории химии».

И хотя приговор был окончательный и обжалованию не подлежал, ученые Франции, пытаясь отстоять приоритет своих соотечественников, еще четверть века именовали элемент № 72 «кельтием».

Лишь в 1949 году 15-я конференция Международного союза чистой и прикладной химии навсегда «похоронила» это название.

Итак, чаша весов склонилась в пользу теории: периодический закон Менделеева и электронная модель строения атома Бора торжествовали победу.

Но в таком случае, что за слабые линии видел в спектре смеси лантаноидов Довилье? Неужели, чтобы доказать явно предвзятую точку зрения Урбена, ученый пошел на сделку с совестью? Ничего подобного.

Довилье действительно видел эти линии, и они действительно принадлежали элементу № 72: ведь иногда в природе гафний встречается совместно с редкоземельными металлами. ' Это и ввело в заблуждение французского физика.

Теперь настало время вернуться к началу нашего рассказа. Вы уже поняли, должно быть, что в петербургской Минералогической лаборатории Вернадский и Ненадкевич напали на след именно гафния, но поскольку открыть его «по всем правилам» они не успели, элемент получил свое название не

в честь Азии, как предлагал Вернадский, а в честь датской столицы, как пожелали Хевеши и Костер, имевшие на то полное право.

Что же представляет собой гафний? Видимо, мало кто из читателей держал в руках этот серебристо-белый блестящий металл. В то же время запасы его в природе отнюдь не назовешь скудными: достаточно сказать, что гафния в 25 раз больше, чем серебра, и в тысячу (!) раз больше, чем золота. А уж серебро и золото, наверное, видел каждый. Чем же объяснить такой парадокс?

Во всем виновата чрезвычайная рассеянность гафния: он так распылен по белу свету, что на всей земле нет ни одного месторождения этого элемента. Словно тень, он неотступно следует за цирконием: в любом минерале циркония есть хоть немного гафния.

Однако лишь циркон, в котором на каждые сто атомов циркония приходится в среднем всего один атом гафния, может быть использован промышленностью как гаф-ниевое сырье. Но между «может быть использован» и металлическим гафнием лежит длинный и сложный технологический путь.

И усложняет его не кто иной, как… цирконий.

Дело в том, что цирконий и гафний — химические близнецы. «Вот так близнецы, — вправе возразить дотошный читатель.—Ведь цирконий был открыт в 1789 году и, значит, старше гафния чуть ли не на полтора столетия.

Он ему в пра-пра-прадедушки годится!» И тем не менее редкая пара элементов может продемонстрировать столь поразительное сходство химических свойств, каким обладают цирконий и гафний.

До сих пор не найдено реакции, в которую вступал бы один из них и не желал бы вступать другой.

Из-за этого сходства химики долго не замечали гафний, и поэтому тот оказался значительно моложе циркония. Оно же ставит на пути технологов, стремящихся разлучить близнецов. многочисленные «препоны и рогатки». Еще не так давно для

лет назад никто не занимался производством гафния в промышленных масштабах: нужен он был только ученым для исследовательских целей — им хватало нескольких килограммов в год. Что же касается циркония, который всегда содержал примеси гафния, то большой бедой это не считалось:

«Гафний так гафний. Разве он мешает цирконию?»

До поры до времени гафний и в самом деле не мешал своему более маститому собрату. Цирконий обычно использовали как коррозионностойкий материал, и примеси гафния, которому борьба с коррозией тоже была вполне по плечу, не становились ложкой дегтя.

Но когда цирконий получил ответственное назначение—стал служить «одеждой» урановых стержней в ядерных реакторах, родство с гафнием могло губительно повлиять на его «карьеру». Дело в том, что, несмотря на необыкновенное сходство этих элементов, по одному вопросу их «мнения» принципиально расходятся.

«Пропускать или не пропускать нейтроны»?—эту дилемму каждый из них решает по-своему: если цирконий практически прозрачен для нейтронов, то гафний, наоборот, жадно их поглощает. Материал, в который «одевают» уран, не должен быть препятствием для инициаторов ядерной реакции.

Чистый цирконий подходит для этой цели как нельзя лучше. Но присутствие всего лишь

2% гафния ухудшает «пропускную способность» циркония в 20 раз.

Ученые вынуждены были всерьез задуматься над проблемой получения циркония так называемой реакторной чистоты, т. е. практически не содержащего гафния (не более 0,01%).

Полтысячи операций, разумеется, не устраивали промышленность, и наука нашла выход: вскоре был разработан достаточно эффективный и экономичный способ очистки циркония от гафния.

Гафний же в виде гидроокиси, получаемой в процессе

разделения, поначалу рассматривался как побочный продукт. Однако вскоре эти взгляды пришлось изменить: технике потребовался и сам гафний, причем для чего бы вы думали? Для использования в… ядерных реакторах, где он прежде считался персоной «нон-грата».

Ни один реактор не мог бы работать без регулирующих стержней, которые, будучи ней-трононепроницаемыми, позволяют управлять ходом ядерной реакции. Когда регулирующие стержни выведены из активной зоны реактора, нейтроны обретают простор, они начинают быстро «размножаться», реакция протекает все энергичнее. Но за нейтронами нужен глаз да глаз.

Если не сдерживать их «порывы», реактор превратится в… атомную бомбу со всеми вытекающими отсюда последствиями. Чтобы этого не произошло, регулирующие стержни поглощают избыточные нейтроны.

Ну, а попробуйте найти лучший поглотитель нейтронов, чем гафний, да еще с такой отличной механической прочностью, с таким умением сопротивляться коррозии и высоким температурам?

Если к началу 50-х годов в США было получено менее 50 килограммов гафния, то уже спустя примерно 10 лет ежегодное производство его достигало 60 тонн, причем на повестке дня уже стоял вопрос о получении ультрачистого гафния— без губительных примесей циркония, мешающего ему работать в ядерной энергетике.

Как и большинство других новых материалов, гафний пока еще очень дорог: по американским данным, гафниевьш прокат в несколько раз дороже серебра. ' Это, с одной стороны, сдерживает его применение, а с другой — предъявляет химикам и металлургам законное требование: создать такие способы получения этого металла, которые позволили бы резко снизить его стоимость.

Весьма перспективно для этой цели применение так называемых ионообменных смол. Если через колонку, содержащую эти смолы, пропустить раствор циркония и гафния, то на выходе в растворе не окажется гафния—он «застрянет» в смолах, а в результате последующей промывки колонки кислотой предстанет очищенным от циркония.

На гафний начинают претендовать различные области техники. Металлурги, например, не без основания считают, что

он может благотворно влиять на механические свойства других металлов, принимать участие в создании специальных жаростойких^ сталей.

Тугоплавкость гафния (температура плавления свыше 2200° С!) в сочетании со способностью быстро поглощать и отдавать тецло делают его подходящим конструкционным материалом для деталей реактивных двигателей (турбинных лопаток, клапанов, сопел и т. д.).

Правда, есть одно «но»: гафний несколько тяжеловат—вдвое тяжелее, чем цирконий, и втрое, чем титан, а уж с таким легковесом, как бериллий, и сравнивать не приходится! В химическом машиностроении этот недостаток проявляется в меньшей мере, зато здесь высокие антикоррозионные свойства гафния могут быть оценены по достоинству.

Нельзя не сказать об использовании гафния в электротехнической и радиотехнической промышленности. Его применяют при изготовлении радиоламп, рентгеновских и телевизионных трубок.

Добавки двуокиси гафния к вольфраму резко увеличивают срок службы нитей накаливания.

Другие соединения гафния — нитрид и особенно карбид, который плавится почти при 4000°С, несомненно займут почетное место в списке особо заслуженных огнеупорных материалов.

Несколько лет назад на страницах газет и журналов появилось новое слово — «фианиты». Так ученые Физического института имени П. Н. Лебедева Академии наук СССР (ФИАН) решили назвать полученные ими рукотворные драгоценные камни — синтетические монокристаллы двуокисей циркония и гафния.

Играющие всеми цветами радуги (незначительные добавки различных элементов позволяют получать кристаллы практически любой окраски), фианиты не уступают по красоте сапфиру, топазу, аквамарину, гранату и другим чудесным природным камням. Но красивая внешность — не главное достоинство фианитов.

Они сочетают в себе многие уникальные свойства: высокий коэффициент преломления (почти такой же, как у алмазов), твердость, тугоплавкость, химическую стойкость. Если учесть к тому же, что фианиты сравнительно недороги, то станет понятной та популярность, которую они быстро завоевали в мире науки и техники.

Из них изготовляют оптические линзы, призмы, «окна», способные работать при высоких температурах даже в химически агрессивных средах. В «послужном списке» фианитов почетное место занимает их работа в качестве лазерных материалов.

И все же ядерная энергетика, потребляющая сегодня свыше 90% производимого в мире гафния, видимо, долгие годы еще будет монополистом в расходовании этого металла. Что ж: быть одним из важнейших материалов в одной из важнейших областей современной техники — этому, пожалуй, могут позавидовать многие другие металлы.