좋은 이론보다 더 실용적인 것은 없다. V.I. 레닌.

지난 세기 초, 닐스 보어는 마지막 희토류 금속이 지르코늄과 비슷한 원소 № 72가 될 것이라고 예측했습니다. 1923년, D. 코스터와 D. 데 헤베시는 보어가 예측한 속성을 가진 이 원소를 스칸디나비아 지르콘에서 발견했습니다. 오늘날에도 하프늄은 지르코늄 광산에서 계속 얻어지고 있습니다. 하프늄이라는 이름은 코펜하겐의 고대 로마 이름인 하프니아에서 유래되었습니다. 21세기에 하프늄의 연간 세계 생산량은 약 70톤으로, 이는 지르코늄 생산량에 비례합니다. 하프늄은 주로 호주와 남아프리카 공화국에서 채굴됩니다. 99% 순도의 하프늄 가격은 킬로그램당 약 $780입니다.

물리적 성질

하프늄 (기호 Hf)은 은색-강철색의 내열성 금속입니다. 그 결정 구조는 육각형이며, 밀도는 13g/cm³를 초과합니다. 녹는점은 2150 °C입니다. 열 중성자 포획 단면적은 약 100반으로, 이는 지르코늄보다 500배 더 큽니다. 따라서 원자력에 사용되는 지르코늄은 하프늄으로부터 정제되어야 합니다. 자연 동위원소 ¹⁷⁴ Hf는 α-활성이 있으며, 반감기는 약 2x10¹⁵년입니다.

응용

핵 에너지. 중성자 포획 능력 덕분에 하프늄은 TVEL 조절 막대, 특수 세라믹 및 유리(산화물, 보리드, 옥소카바이드, 카바이드, 리튬 하프네이트, 디스프로시움 하프네이트)에 사용됩니다. Ta-W-Hf 합금은 가스상 원자 엔진에서 연료 공급에 최적입니다.

광학. 뛰어난 내열성과 HfO₂ 및 HfF₄의 매우 높은 굴절률 덕분에, 광섬유, 천문학적 및 다층 X선 거울, 그리고 야간 투시 장치에 사용됩니다.

라디오 전자학. 낮은 전자 열화 방출 작업(3.53 eV) 덕분에 Hf는 강력한 라디오 진공관과 전자 포의 음극 및 효율적인 열 전자방출 전력 발전기를 제작하는 데 사용됩니다.

전기 기술. 내열성과 함께 낮은 전자 열화 방출 작업 덕분에 Hf는 아르곤 내 전기 아크 용접 전극 제작에 사용됩니다. 이 전극들은 특히 CO₂ 환경에서 저탄소 강철 용접에 있어 4배 더 내구성이 뛰어납니다. 하프늄-탄탈럼 합금은 산소-화염 절단 및 공기-플라즈마 절단 전극에서 큰 경제적 효과를 발휘합니다. Hf — 77%, Ta — 20%, W — 2%, Ag — 0.5%, Cs — 0.1%, Cr — 0.4%로 이루어진 합금은 순수 하프늄에 비해 9배 긴 수명을 갖습니다.

합금. 알루미늄에 1%의 Hf를 더하면 합금의 강도가 크게 향상되며, 인장, 전단 및 비틀림 강도를 증가시키고, 진동 및 충격 하중에 대한 저항성을 개선합니다. 하프늄은 현대적인 가공 산업에서 필요한 코발트 합금을 향상시킵니다. 하프늄 카바이드 및 보리드(t° pl. 3250°C)는 초경합금, 가스상 원자 보일러 및 로켓 노즐 제조에서 사용되며, 또한 내마모성 코팅으로 사용됩니다. HfB₂ + Ni 합금은 독점적으로 내마모성이 뛰어난 복합 코팅으로 유용합니다. 하프늄 20%과 탄탈럼 80%의 카바이드 합금은 알려진 재질 중 가장 내열성이 뛰어납니다 (t° pl. 4216 °C).

기계공학. 하프늄으로 도핑된 티타늄 합금은 주요 선박 엔진 부품 기초로 사용됩니다. 하프늄을 니켈에 추가하면 합금의 강도가 증가하고, 부식 저항성이 높아지고, 용접이 용이해지며, 용접 이음새가 밀착됩니다. 하프늄을 탄탈럼에 도핑하면 복합 산화물 보호 필름이 형성되어 열변화(열 충격)에 대한 내산화 저항성을 증가시킵니다. 이 두 금속의 합금을 기초로, 항공 엔진, 가스 핀 및 노즐 등이 만들어졌습니다.

다른 응용 분야. 강력한 영구 자석을 만들 때 하프늄은 테르븀 및 사마륨 같은 희토류 원소에 첨가됩니다. 고유전 상수 HfO₂ 기초의 유전체는 오늘날 컴퓨터에서 실리콘 산화물을 성공적으로 대체하여 칩 충전 밀도를 훨씬 증가시킬 수 있습니다. 하프늄 시리사이드 또한 상당한 유전 상수를 가지고 있습니다. 하프늄과 스칸듐의 합금은 미세 전자공학에서 저항성 필름의 주성분으로 유명합니다.

성분 백분위

제어되는 불순물 내용 기준, % 이하

개발 전망 분야

Hf-178m2는 원자력 발전의 부산물로, 사용된 흡수성 하프늄 막대에서 생성됩니다. 이 동위원소(반감기 31년)는 핵 방사로 방출될 수 있는 과잉 에너지를 가지고 있습니다. 1g의 Hf-178m2에 포함된 에너지는 50kg의 TNT와 동등합니다. 이는 컴팩트한 전투용 레이저의 "펌핑" 및 감마선의 조정 가능한 소스로, 예컨대 결함 검사 및 운송을 위한 강력한 에너지원으로 사용될 수 있습니다.

공급

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