Гафний

Гафний (символ Hf)— тяжёлый тугоплавкий серебристо-белый металл, 72-й элемент периодической системы.

Физические свойства гафния

У гафния сечение захвата тепловых нейтронов около 100 барн, на 3 порядка выше, чем у циркония — 0,2 барн . Поэтому цирконий для реакторных ТВЭЛов, не должен содержать гафния. Природный изотоп гафния, 174Hf, имеет слабую α-активность (период полураспада 2×1015 лет).

Применение гафния

Основные области  — производство специальной оптики, сплавов для аэрокосмической отрасли, ядерной энергетики.

Способность к захвату нейтронов обуславливает применение гафния в ядерной энергетике для регулирующих стержней, спецкерамики и стекла (оксид, борид, карбид, оксокарбид, гафнат лития, гафнат диспрозия).

Замечательная особенность диборида гафния — очень малое газовыделение (водород, гелий) при «выгорании» бора.

Оксид гафния благодаря его жаростойкости (t° пл. 2780 °C) и очень высокой степени преломления используют в оптике. Из гафния и фторида гафния производят спецмарки стекла для волоконной оптики, а также для особо качественной оптики, например, для приборов ночного видения. Карбид и борид гафния (t° пл. 3250 °C) применяют как чрезвычайно износоустойчивое покрытие и в составе сверхтвердых сплавов. Карбид гафния – один из самых тугоплавких материалов ((t° пл. 3890 °C) используют как конструкционный элемент газофазных ядерных двигателей и в производстве ракетных сопел.

Карбид гафния в виде мелкопористой керамики – эффективный коллектор электронов при испарении с его поверхности в вакууме паров Cs-133, при этом работа выхода электронов снижается до 0,1-0,12 эВ, что легло в основу конструкции мощных ионных двигателей и эффективных термоэмиссионных электрогенераторов.

Поскольку у гафния относительно низкая работа выхода электрона (3,53 эВ), из него делают катоды мощных радиоламп и электронных пушек. Наряду с жаростойкостью, это качество позволяет использовать гафний в производстве электродов для сварки в аргоне, особенно для сварки низкоуглеродистой стали в атмосфере CO_2, где электроды из гафния оказались почти в 4 раза более стойкими, чем вольфрамовые. Как эффективный катод с малой работой выхода используют гафнат бария.

На основе диборида гафния и никеля запатентовано и используется исключительно износоустойчивое композитное покрытие.

Сплавы Ta-W-Hf являются лучшими для подачи топлива в газофазных атомных двигателях.

Титановые сплавы, легированные гафнием, применяются в производстве деталей судовых двигателей. Легирование гафнием никеля повышает прочность и коррозионную стойкость, а также улучшает свариваемость и упрочняет сварной шов.

Добавка гафния к танталу резко повышает стойкость к окислению на воздухе за счет образования на поверхности плотной пленки сложных оксидов, кроме того эта пленка очень стойка к теплосменам (тепловым ударам). Благодаря этому были созданы незаменимые сплавы для ракетной техники (газовые рули, сопла, содержащие до 20 % гафния. Отметим также большой экономический эффект применения сплава гафний-тантал для электродов кислородно-пламенной и воздушно-плазменной резки металлов. У сплава Hf — 77 %, Ta — 20 %, W — 2 %, Ag — 0,5 %, Cs — 0,1 %, Cr — 0,4 % девятикратный ресурс работы по сравнению с чистым гафнием.

Легирование гафнием значительно упрочняет сплавы кобальта, важные в турбостроении, пищевой, химической и нефтяной промышленности.

Гафний используют в сплавах на основе редкоземельных элементов (например, тербия и самария) для сверхмощных постоянных магнитов. Диэлектрики на основе оксида гафния с высокой диэлектрической проницаемостью  идут на смену хрестоматийному оксиду кремния в микроэлектронике, позволяя достичь гораздо большей плотности элементов в чипах. С 2007 года диоксид гафния используется в 45-нм процессорах Intel Penryn. Также как диэлектрик с высокой диэлектрической проницаемостью известен силицид гафния. Сплавы гафния и скандия используют в микроэлектронике для получения резистивных пленок особых свойств.

Сплав карбида гафния 20 % и карбида тантала 80 % считается самым жаростойким сплавом (t° пл..4216 °C). Но есть разработки, что при легировании этого сплава карбидом титана t° плавления может возрасти еще на 180 градусов.

Добавка 1 % гафния к алюминию дает сверхпрочный сплав с размером зерен металла 40-50 нм. При этом достигается значительное относительное удлинение и возрастает предел прочности при сдвиге и кручении, а также улучшается вибростойкость.

Гафний важен в производстве высококачественных многослойных рентгеновских зеркал.

Перспективные области применения

Метастабильное ядро гафния-178m2 (период полураспада 31 год) содержит избыток энергию, которую можно высвободить рентгеновским облучения ядра. Этот эффект лежит в основе конструкции ядерного оружия не создающего радиоактивного заражения. Энергия, заключенная в 1 гр. гафния-178m2, эквивалентна 50 кг тротила. Метастабильный изомер гафния может использоваться для «накачки» компактных боевых лазеров (заместив часть атомов гафния на 178m2Hf можно использовать окись гафния как компонент лазерного кристалла, совместить источник энергии и излучатель).

Изотоп гафния-178m2 может быть использован как регулируемый источник гамма-лучей, например, в дефектоскопии и как ёмкий источник энергии для транспорта.

Гафний-178m2 является побочным продуктом (отходом) ядерной энергетики (отработанные поглотительные гафниевые стержни в АЭС). Эксплуатация т.н. «гафниевого цикла» и расширение сектора применения гафния будет расти с увеличением использования его в ядерных реакторах. По мере накопления изомера в странах с развитой ядерной отраслью произойдет и становление «гафниевой энергетики».

Разработкой т.н. «гафниевой бомбы» на основе изомера 178m2Hf с 1998 по 2004 год занималось агентство DARPA. Однако, даже мощное рентгеновское облучение ядра не дало эффекта индуцированного распада. В 2005 году исследования свернули, т.к. существующие технологии пока не в состоянии высвободить избыточную энергию из ядра гафния-178m2.