Τι είναι το μεταλλικό ζιρκόνιο: Ιδιότητες και χρήσεις

Το ζιρκόνιο (Zr) είναι ένα φωτεινό, ασημένιο μεταβατικό μέταλλο, που συχνά επισκιάζεται από τα συνηθέστερα συζητούμενα στοιχεία, παρόλα αυτά διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στη σύγχρονη τεχνολογία,Ιδιαίτερα στις πυρηνικές και χημικές βιομηχανίεςΟνομάζεται έτσι από το ορυκτό ζιρκώνο, την σημαντικότερη πηγή του στοιχείου, το ζιρκώνιο ξεχωρίζει λόγω της εξαιρετικής αντοχής του στη διάβρωση, του υψηλού σημείου τήξης, της υψηλής αντοχής του σε θέρμανση και της υψηλής αντοχής του σε θέρμανση.και χαμηλής απορρόφησης νετρονίων συνδυασμός ιδιοτήτων που το καθιστούν απαραίτητο για ορισμένες απαιτητικές εφαρμογές.

Φυσικές και χημικές ιδιότητες

Ο ατομικός αριθμός του Ζιρκόνιο είναι 40, και βρίσκεται στην ομάδα 4 του περιοδικού πίνακα, ακριβώς κάτω από το τιτάνιο και πάνω από το χαφνίου.Και οι χημικές τους ιδιότητες είναι τόσο παρόμοιες που το διαχωρισμό τους είναι μια ιστορικά δύσκολη και ενεργειακή διαδικασία.Αυτή η στενή σχέση οφείλεται στο φαινόμενο που είναι γνωστό ως συστολή λανθανιδίων, το οποίο έχει ως αποτέλεσμα σχεδόν πανομοιότυπες ατομικές ακτίνες για τα δύο στοιχεία.Η παρουσία χαφνίου δεν αποτελεί πρόβλημα., αλλά για πυρηνική χρήση, ο διαχωρισμός είναι υποχρεωτικός επειδή το χαφνίου είναι ένας ισχυρός απορροφητής νετρονίων, ενώ το ζιρκόνιο όχι.

Το καθαρό ζιρκόνιο είναι ένα μαλακό, εύκαμπτο μέταλλο σε θερμοκρασία δωματίου, το οποίο το καθιστά εύκολα επεξεργαζόμενο.Το ζιρκόνιο είναι εξαιρετικά εύφλεκτο και μπορεί να ανάψει αυθόρμητα στον αέρα.Το μέταλλο προστατεύεται σε χύδη μορφή από ένα πυκνό, σταθερό και πολύ παθητικό στρώμα οξειδίου ($ZrO_2$Αυτό το αυτοθεραπευτικό στρώμα οξειδίου είναι το μυστικό της εξαιρετικής αντοχής του στο διάβρωση.

Το μέταλλο έχει εντυπωσιακό σημείο τήξης περίπου$1855^{circ}C$($3371^{circ}F$) και σημείο βρασμού$4377^{circ}C$($7911^{circ}F$Η αντοχή του σε υψηλές θερμοκρασίες και η σταθερότητά του είναι ζωτικής σημασίας σε περιβάλλοντα όπου τα περισσότερα άλλα δομικά μέταλλα θα αποτύχουν.και θαλάσσιο νερό, συχνά με καλύτερη απόδοση από το τιτάνιο και τον ανοξείδωτο χάλυβα σε εξαιρετικά διαβρωτικά περιβάλλοντα χημικής επεξεργασίας.

Εξόρυξη και παραγωγή

Το ζιρκόνιο δεν βρίσκεται ποτέ στη φύση στην αρχική του κατάσταση.$ZrSiO_4$Για την εξόρυξη του μετάλλου, το ζιρκόνιο πρέπει να μετατραπεί σε οξείδιο και στη συνέχεια σε χλωρίδιο.Η πιο κοινή βιομηχανική μέθοδος για την παραγωγή υψηλής καθαρότητας, το μεταλλικό ζιρκόνιο είναι τοΔιαδικασία Kroll.

Η διαδικασία Kroll περιλαμβάνει τη μείωση του τετραχλωριούχου ζιρκονίου ($ZrCl_4$) με μαγνήσιο ($Mg$Το προϊόν που προκύπτει είναι μια σφουγγαρόμορφη μάζα του μεταλλικού ζιρκονίου, το οποίο πρέπει στη συνέχεια να εξαγνιστεί περαιτέρω, συχνά με τήξη υπό κενό,για την παραγωγή ινγκότων κατάλληλων για έλαση σε πλάκες, φύλλα ή ράβδους για την κατασκευή εξαρτημάτων.

Για τις πυρηνικές εφαρμογές, η αυστηρή απαίτηση για την αφαίρεση του αφνίου απορροφούμενου νετρονίων πληροίται με πολύπλοκες τεχνικές εκχύλισης υγρού-πνεύματος ή με εξειδικευμένες μεθόδους απόσταξης.Το προκύπτον πυρηνικό ζιρκόνιο, ουσιαστικά απαλλαγμένο από χαφνίου, αποτελεί τη βάση για κράματα γνωστά ωςΖιρκαλόι.

Βασικές χρήσεις και εφαρμογές

Η μοναδική σειρά των ιδιοτήτων του ζιρκόνιο υπαγορεύει τη χρήση του σε πολλές υψηλής κλίμακας, εξειδικευμένες βιομηχανίες.

1Πυρηνική βιομηχανία (Zircaloy):

Αυτό είναι αναμφισβήτητα η σημαντικότερη εφαρμογή του ζιρκονίου.Πάνω από το 90% του μεταλλικού ζιρκονίου που καταναλώνεται παγκοσμίως πηγαίνει στον τομέα της πυρηνικής ενέργειας.Ο λόγος είναι διπλός:το ζιρκώνιο είναι εξαιρετικά ανθεκτικό στη διάβρωση από το ζεστό νερό και τον ατμόΑυτό σημαίνει ότι σε αντίθεση με το χάλυβα ή το χαλκό, το χάλυβα έχει πολύ χαμηλή θερμική απορρόφηση νετρονίων.Το ζιρκόνιο δεν "απορροφά" τα νετρόνια που απαιτούνται για να διατηρηθεί η αλυσιδωτή αντίδραση πυρηνικής σχάσηςΟ συνδυασμός αυτών των ιδιοτήτων καθιστά το Zircaloy το ιδανικό υλικό για την επικάλυψη των ράβδων καυσίμου σε αντιδραστήρες ελαφρού νερού (LWR).Η επένδυση πρέπει να περιέχει το πυρηνικό καύσιμο επιτρέποντας ταυτόχρονα στα νετρόνια να περάσουν στο επόμενο σφαιρίδιο καυσίμου, όλα αυτά αντέχοντας την έντονη θερμότητα, την πίεση και το διαβρωτικό περιβάλλον μέσα στον πυρήνα του αντιδραστήρα για χρόνια.Το ζιρκαλόι είναι ένα βασικό υλικό για τη λειτουργία των περισσότερων εμπορικών πυρηνικών σταθμών ηλεκτροπαραγωγής παγκοσμίως.

2- Βιομηχανία χημικής επεξεργασίας (CPI):

Λόγω της ανώτερης αντοχής του στη διάβρωση, το ζιρκόνιο είναι ιδανικό οικοδομικό υλικό για σκληρά χημικά περιβάλλοντα.νιτρικό οξύΤα συστατικά που κατασκευάζονται από ζιρκόνιο περιλαμβάνουν ανταλλακτές θερμότητας, σωλήνες, περιβλήματα αντλιών, βαλβίδες και δοχεία αντίδρασης.Το υψηλό αρχικό κόστος δικαιολογείται συχνά από τη μακρά διάρκεια ζωής του υλικού, το οποίο μεταφράζεται σε χαμηλότερα έξοδα συντήρησης και μειωμένο χρόνο στάσιμης λειτουργίας.

3- Εργαστήριο συγκόλλησης

Αν και λιγότερο συνηθισμένο από τη χρήση του σε καθαρή μορφή ή στο Zircaloy, το ζιρκόνιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως στοιχείο κράματος.σε ορισμένα κράματα χαλκού προστίθενται μικρές ποσότητες ζιρκονίου για να αυξηθεί η αντοχή και η θερμική τους σταθερότηταΗ αλκοόλη μπορεί επίσης να βρεθεί σε ορισμένα κράματα χάλυβα και αλουμινίου.

4Ιατρικές και βιοϊατρικές εφαρμογές:

Η βιοσυμβατότητα, η υψηλή αντοχή και η αντοχή στην φθορά το καθιστούν κατάλληλο για χειρουργικά εργαλεία και, ολοένα και περισσότερο,για ορισμένα ορθοπεδικά εμφυτεύματαΤο οξείδιο του ζιρκόνιου ($ZrO_2$), γνωστό ως ζιρκόνιο, είναι μια κεραμική υψηλής αντοχής που χρησιμοποιείται στην οδοντιατρική για στέμματα και γέφυρες λόγω των εξαιρετικών αισθητικών του ιδιοτήτων και αντοχής.

5Καταναλωτικές και ειδικές χρήσεις:

Το οξείδιο του ζιρκονίου είναι ένα σημαντικό συστατικό στη βιομηχανία ανθεκτικών υλών λόγω του εξαιρετικά υψηλού σημείου τήξης του,που το καθιστούν κατάλληλο για επένδυση κλιβάνωνΣτο κόσμημα, το φυσικό ορυκτό ζιρκόνιο είναι ένας δημοφιλής πολύτιμος λίθος, και το συνθετικό κυβικό ζιρκόνιο είναι ένα ευρέως χρησιμοποιούμενο, φθηνό προσομοιωτικό διαμαντιού.το μέταλλο χρησιμοποιείται μερικές φορές σε σκόνες φλας και ειδικά πυροτεχνικά προϊόντα λόγω της εύφλεκτης μορφής της σκόνης.

Συνοπτικά, το ζιρκόνιο είναι ένα υλικό υψηλής στρατηγικής και τεχνολογικής σημασίας.σταθερότητα σε υψηλές θερμοκρασίες, και η σχεδόν απαράμιλλη αντοχή στη διάβρωση, ιδίως η διαφάνεια των νετρονίων, την ανυψώνει σε μια ανεπανόρθωτη θέση.Ειδικότερα, η Επιτροπή θα επιδιώξει να διευκολύνει τη δημιουργία ενός ευρωπαϊκού δικτύου που θα παρέχει τη δυνατότητα για τη δημιουργία ενός ευρωπαϊκού δικτύου..