Нильс Бор вначале ХХ века смог рассчитать, что последним редкоземельным металлом должен быть хим. элемент под 72-м номером, аналог циркония. Д. де Хевеши и Д. Костер в 1923 году смогли обнаружить новый элемент со свойствами, предсказанными Бором в гренландских и норвежских цирконах. Его назвали от латинского устаревшего названия города Копенгаген — Hafnia… Мировая добыча гафния составляет 70 т в год, что пропорционально объёму добычи циркония. Самыми богатыми залежами гафния владеют ЮАР и Австралия. Стоимость 99% чистоты гафния составляет около 780 долларов за 1 кг.

Физические свойства

Гафний (Hf) является тяжёлым тугоплавким серебристо-белым металлом. Обладает плотно упакованной гексагональной структурой кристаллической решётки с удельным весом 13,31 г/см³. Валентность +4, +3, +1, температура кипения = 4603 °C, t° плавления = 2233 °C. Сечение захвата тепловых нейтронов — около 100 барн, что на три порядка больше, чем циркония — 0,2 барн, в связи с чем, цирконий, используемый в ядерных реакторах не должен содержать гафний. Природный изотоп ¹⁷⁴ Hf обладает слабой α- активностью с периодом полураспада 2x10¹⁵ лет.

Использование

В ядерной энергетике. Способность захвата нейтронов обуславливает его использование в виде спецкерамики, стекла, регулировочных стержней ТВЭЛов (борид, оксид, оксокарбид, гафнат лития, карбид, гафнат диспрозия). Сплав W-Hf-Ta является наилучшим для подачи топлива в атомных газофазных двигателях.

В оптике. Благодаря своей жаростойкости и высокой степени преломления HfF₄ и HfO₂ применяют в изготовлении многослойных и астрономических рентгеновских зеркал, нитей для волоконной оптики, приборов ночного видения.

В радиоэлектронике. Низкая работа выхода электронов позволяет производить из гафния катоды мощных электронных пушек, радиоламп и термоэмиссионные эффективные электрогенераторы позволяет малый выход работы электронов (3,53 эВ).

В электротехнике. Вместе с жаростойкостью низкая работа выхода электрона дает возможность применять Hf в изготовлении электродов, предназначенных для сварки в аргоне, в особенности для сваривания в атмосфере CO₂ низкоуглеродистой стали, где электроды такого типа оказались практически в четыре раза более стойкие, чем вольфрамовые. Необходимо также отметить высокий экономический эффект использования сплава Ta-Hf для электродов воздушно-плазменной и кислородно-пламенной резки металлов. Сплав содержит: 77%Hf, 20%Ta, 2%W, 0,5% Ag, 0,1%Cs, 0,4%Cr — и по сравнению с чистым гафнием имеет девятикратный ресурс работы.

Сплавы

Добавление 1% Hf к алюминию дает сверхпрочный сплав с размером зерен 40−50 нм. Он имеет высокий предел прочности при сдвиге, кручении, растяжении, а также улучшенную вибростойкость. Легирование при помощи Hf заметно упрочняет различные кобальтовые сплавы, востребованные в нефтеперерабатывающей отрасли и промышленной химии. Борид и карбид гафния с температурой плавления 3250 °C используются в качестве чрезвычайно износоустойчивого покрытия, а также в составе сверхтвердых сплавов.

Одним из самых тугоплавких материалов является HfC с температурой плавления 3890 °C. Данный сплав незаменим в конструкциях атомных газофазных котлов, а также в производстве ракетных сопел. Сплав никеля + HfB₂ применяется как исключительно износоустойчивое композитное покрытие. Сплав 80% ТаС и 20% HfC считается наиболее жаростойким сплавом с t° плавления 4216 °C.

В машиностроении. Сплавы титана, легированные гафнием, используются в изготовлении деталей для судовых двигателей. Легирование никеля гафнием повышает коррозионную стойкость и прочность, а также упрочняет сварной шов и улучшает свариваемость. Добавление Hf к танталу резко увеличивает стойкость на воздухе к окислению за счет образования защитной пленки сложных оксидов на поверхности, очень стойкой к тепловым ударам. Благодаря этому были созданы незаменимые на сегодняшний день сплавы для ракетной отрасли (газовые сопла, рули, которые содержат до 20% Hf).

Другие сферы применения

Сплавы с редкоземельными элементами, такими как тербий, самарий — применяют для постоянных сверхмощных магнитов. Диэлектрики с повышенной диэлектрической проницаемостью на основе HfO₂ приходят в микроэлектронике на смену хрестоматийному оксиду кремния, позволяя достичь значительно большей информационной плотности. Как диэлектрик с высокой диэлектрической проницаемостью известен также силицид гафния. Сплавы со скандием применяют в микроэлектронике в целях получения резистивных пленок исключительных свойств.

Перспективные сферы использования

Hf-178m2 является побочным продуктом ядерной энергетики (в АЭС — поглотительные отработанные гафниевые стержни). Данный изотоп с периодом полураспада 31 г. содержит в себе избыток энергии, высвободить которую можно при помощи облучения ядра. Энергия, которая заключена в одном грамме Hf-178m2 аналогична 50 кг тротила, что делает возможным применение его в целях «накачки» боевых компактных лазеров и в качестве регулируемого источника гамма-лучей, к примеру, в дефектоскопии или в виде ёмкого источника энергии для транспорта.

Купить по выгодной цене

На складе ООО «Авек Глобал» — широчайший ассортимент редких и тугоплавких металлов по оптимальным ценам. Наши специалисты готовы ответить на любые вопросы и помочь при выборе необходимых материалов, по первому требованию предоставят всю необходимую информацию о продукции, стоимости и сроках доставки. Цены зависят от объёма поставки и дополнительных условий. При оптовых заказах предоставляются скидки. Приобретая продукцию компании «Авек Глобал», Вы найдете достойного партнера.