زیرکونیوم: آلیاژهای مبتنی بر آن. خواص، کاربرد

2024 نویسنده: Howard Calhoun | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-02 13:53

نادر، اما در عین حال بسیار مهم در بسیاری از صنایع، فلز - زیرکونیوم - اولین بار تنها در سال 1824 جدا شد. با این حال، همچنان حاوی درصد معینی از عناصر دیگر بود. تنها در قرن بیستم امکان بدست آوردن زیرکونیوم خالص و عاری از ناخالصی های مختلف وجود داشت. آلیاژهای مبتنی بر آن با موفقیت برای ساخت مواد نسوز، ساینده ها، رنگ های سرامیکی، کاغذ سنباده، منسوجات، دئودورانت ها و سنگ های مصنوعی استفاده می شود. البته نباید از اهمیت بالای این فلز در پزشکی غافل شد. درباره او بیشتر بدانید.

توسعه متالورژی

زیرکونیوم جزء اصلی آلیاژهای مهندسی انرژی هسته ای است. اما برای این امر لازم است که تا حد امکان از ناخالصی های مختلف پاک باشد. واقعیت این است که در سنگ معدن زیرکونیوم نه تنها عنصر خاکی کمیاب مانند هافنیوم، بلکه نیتروژن، کربن و اکسیژن نیز وجود دارد. و چنین ناخالصی های غیر فلزی کاملاً خطرناک هستند و می توانند در ترکیب مواد ساختاری راکتورهای هسته ای به مقدار بیش از یک میلیونم درصد گنجانده شوند. بنابراین، به دست آوردن زیرکونیوم خالص و آلیاژهایاساس آن یک فرآیند نسبتا طولانی و پر زحمت است. ابتدا کنسانتره باز می شود، سپس غنی می شود، ناخالصی های ناخواسته و هافنیوم جدا می شود.

زیرکونیوم خالص مانند یک فلز معمولی به نظر می رسد. از نظر ظاهری بسیار شبیه به فولاد است، اما در عین حال بادوام تر و انعطاف پذیرتر است. البته در آلیاژهای مبتنی بر آن، بسته به میزان عناصر دیگر، ویژگی های آن می تواند تفاوت قابل توجهی داشته باشد. به عنوان مثال، اکسیژن (بیشتر از 0.6٪) زیرکونیوم را شکننده تر می کند. اما یک نکته منفی نیز وجود دارد: دی اکسید این فلز (ZrO_{2) دارای نقطه ذوب 2680 درجه سانتی گراد است.}

مصالح ساختمانی اصلی

همانطور که قبلا ذکر شد، وسیع ترین منطقه ای که زیرکونیوم و آلیاژهای آن در آن استفاده می شود، صنعت هسته ای است. مزیت اصلی آنها این است که سطح مقطع جذب نوترون حرارتی کوچکی دارند (فقط 0.18 انبار)، خواص خوردگی خوب و نقطه ذوب بالا. بنابراین، TVEL عنصر سوخت سازنده اصلی منطقه فعال یک راکتور هسته ای است که سوخت هسته ای در آن قرار می گیرد. در آن است که شکافت هسته های سنگین رخ می دهد، به این معنی که عنصر سوخت باید از بادوام ترین و نسوزترین فلز ساخته شده باشد و نباید ویژگی جذب نوترون را در راکتور تغییر دهد.

بنابراین از آلیاژهای زیرکونیوم برای ساخت پوسته آن استفاده می شود. الزامات آنها کاملاً سختگیرانه است. بنابراین، عناصر آلیاژی نباید ویژگی های آن را بدتر کنند. به ویژه، این مربوط به مقطع کوچک برای جذب نوترون های حرارتی است. زیرکونیوم به منظوراثرات مضر نیتروژن را سرکوب کرده و خواص خوردگی آن را بهبود می بخشد. بسیاری از عناصر سیستم تناوبی مندلیف مناسب نیستند، زیرا ویژگی‌های خاصی را کاهش می‌دهند.

معروف ترین آلیاژی که برای ساخت میله های سوخت استفاده می شود زیرکالوی است. عنصر آلیاژی اصلی آن قلع و عناصر کمکی آن آهن، کروم و نیکل است. در روسیه، نیوبیم بیشتر برای آلیاژ زیرکونیوم استفاده می شود. همچنین دارای سطح مقطع جذب نوترون حرارتی کم است، جذب هیدروژن را کاهش می دهد و تنها محلول های جامد را تشکیل می دهد. و این، به نوبه خود، آلیاژها را با انعطاف پذیری بالا فراهم می کند.

آلیاژ زیرکونیوم

مقاومت بالای این فلز در برابر خوردگی توضیح می دهد که چرا اغلب به عنوان یک عنصر آلیاژی در متالورژی آهنی و غیرآهنی استفاده می شود. علاوه بر این، در اسیدهای هیدروکلریک و نیتریک و قلیاها نامحلول است. بنابراین، آلیاژهای چند جزئی زیرکونیوم با منیزیم بسیار محبوب هستند. علاوه بر این، آلیاژسازی با این فلز باعث افزایش مقاومت اسیدی تیتانیوم می شود. آلیاژهای زیرکونیوم با مس دارای استحکام و هدایت الکتریکی بالایی هستند. اغلب از آن به عنوان یک افزودنی در تولید انواع فولاد استفاده می شود. این به شما امکان می دهد گوگرد، نیتروژن و اکسیژن را از آنها حذف کنید.

صنایع پزشکی

با توجه به زیرکونیوم و آلیاژهای آن، نمی توان به یک حوزه دیگر از کاربرد آنها اشاره کرد. در صنعت پزشکی، آنها به مراتب از آخرین مکان را اشغال می کنند. اخیراً فولاد وآلیاژهای تیتانیوم با این حال، در برخی موارد، بدن این فلزات را رد می کند، که در برابر آنها واکنش آلرژیک ظاهر می شود. پزشکی مدرن از آلیاژهای زیرکونیوم و تیتانیوم برای ساخت منگنه‌ها، پلیت‌ها، ایمپلنت‌ها، دندان‌های مصنوعی و مکانیسم‌های تثبیت آنها استفاده می‌کند.

از آنجایی که این فلز و ترکیبات آن برای استخوان ها و بافت های نرم اطراف آن تحریک کننده نیستند، با موفقیت در ساخت جواهرات استفاده شده است. به عنوان مثال، گوشواره های زیرکونیومی واکنش آلرژیک ایجاد نمی کنند و زخم لاله گوش را بدتر از طلا ترمیم می کنند.

مصرف برق

آلیاژ آلومینیوم و زیرکونیوم دارای ویژگی های مثبت بسیاری است و بنابراین با موفقیت در صنعت انرژی استفاده می شود. واقعیت این است که سیم های فولادی و مسی وزن بسیار زیادی دارند و اغلب تکیه گاه های قدیمی نمی توانند چنین باری را تحمل کنند. در سال 1960، در ژاپن، گروهی از دانشمندان مجموعه ای از آلیاژهای آلومینیوم و زیرکونیوم را تولید کردند. آنها مشخص کردند که چنین ماده ای را می توان برای مدت طولانی در دمای بالا (150-230 درجه سانتیگراد) استفاده کرد و در عین حال کاملاً سبک خواهد بود. این اجازه می دهد تا از آن برای ساخت سیم های با دمای بالا استفاده شود. این امر قابلیت اطمینان و کارایی شبکه های الکتریکی را افزایش می دهد.

کاربردهای دیگر برای ترکیبات و آلیاژهای زیرکونیوم

در بسیاری از ضد تعریق ها، می توانید اجزایی مانند آلومینیوم زیرکونیوم تتراکلروهیدرکس را پیدا کنید. این یک ترکیب شیمیایی است که عرق و بوی آن را جذب می کند. دانشمندان دریافته اند که اینطور نیستجذب پوست می شود و بنابراین نمی تواند آسیب جدی به سلامتی وارد کند. با وجود این، آلومینیوم-زیرکونیوم-تتراکلروهیدرکس گلیسین در اتحادیه اروپا و ایالات متحده ممنوع است.

اکسید زیرکونیوم برای ساختن الکتروکوندوم استفاده می شود. از ذوب در کوره های الکتریکی کج به دست می آید. الکتروکوروندوم زیرکونیوم کاملاً قوی است و امکان پردازش مواد با نیروی گیره زیاد را فراهم می کند. اغلب از آن برای آسیاب خشن و خشن استفاده می شود.

به طور کلی باید توجه داشت که زیرکونیوم و آلیاژهای آن دارای نقطه ذوب بالا، مقاومت شیمیایی و ضریب انبساط حرارتی پایینی هستند. به همین دلیل است که به طور فعال در زمینه های مختلف استفاده می شود.