الزركونيوم: سبائك مبنية عليه. الخصائص والتطبيق

2024 مؤلف: Howard Calhoun | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-02 13:49

نادر ، لكن في الوقت نفسه مهم جدًا في العديد من الصناعات ، تم عزل المعدن - الزركونيوم - لأول مرة فقط في عام 1824. ومع ذلك ، لا يزال يحتوي على نسبة معينة من العناصر الأخرى. فقط في القرن العشرين كان من الممكن الحصول على الزركونيوم النقي ، الخالي من الشوائب المختلفة. تُستخدم السبائك التي تعتمد عليها بنجاح في صناعة المواد المقاومة للحرارة والمواد الكاشطة والدهانات الخزفية وورق الصنفرة والمنسوجات ومزيلات العرق والأحجار الاصطناعية. بالطبع ، لا ينبغي لأحد أن ينسى الأهمية العالية لهذا المعدن في الطب. تعرف على المزيد عنه

تطوير علم المعادن

الزركونيوم هو المكون الرئيسي للسبائك لهندسة الطاقة النووية. لكن لهذا من الضروري أن يكون نقيًا قدر الإمكان من الشوائب المختلفة. الحقيقة هي أنه في خامات الزركونيوم لا يوجد فقط عنصر أرضي نادر مثل الهافنيوم ، ولكن أيضًا النيتروجين والكربون والأكسجين. وهذه الشوائب غير المعدنية خطيرة للغاية ويمكن تضمينها في تكوين المواد الإنشائية للمفاعلات النووية بكمية لا تزيد عن جزء من المليون في المائة. لذلك ، الحصول على الزركونيوم النقي وسبائكأساسها عملية طويلة وشاقة إلى حد ما. أولا ، يتم فتح المركز ، ثم يتم تخصيبه ، ويتم فصل الشوائب غير المرغوب فيها والهافنيوم.

الزركونيوم النقي يشبه المعدن النموذجي. في المظهر ، إنه مشابه جدًا للصلب ، ولكنه في نفس الوقت أكثر متانة وقوة. بالطبع ، في السبائك التي تعتمد عليها ، يمكن أن تختلف خصائصها بشكل كبير اعتمادًا على كمية العناصر الأخرى. على سبيل المثال ، الأكسجين (أكبر من 0.6٪) سيجعل الزركونيوم أكثر هشاشة. ولكن هناك أيضًا جانب سلبي: ثاني أكسيد هذا المعدن (ZrO_{2) له نقطة انصهار تبلغ 2680 درجة مئوية}

مواد البناء الرئيسية

كما ذكرنا سابقًا ، فإن أوسع منطقة يستخدم فيها الزركونيوم وسبائكه هي الصناعة النووية. ميزتهم الرئيسية هي أن لديهم مقطع عرضي صغير لالتقاط النيوترون الحراري (فقط 0.18 حظيرة) ، وخصائص تآكل جيدة ونقطة انصهار عالية. لذلك ، TVEL هو عنصر الوقود البناء الرئيسي للمنطقة النشطة للمفاعل النووي ، حيث يتم وضع الوقود النووي. إنه يحدث فيه انشطار النوى الثقيلة ، مما يعني أن عنصر الوقود يجب أن يكون مصنوعًا من أكثر المعادن ديمومة وقابلية للحرارة ، ويجب ألا يغير خاصية امتصاص النيوترونات في المفاعل.

لذلك ، تستخدم سبائك الزركونيوم لصنع غلافها. المتطلبات بالنسبة لهم صارمة للغاية. لذلك ، يجب ألا تؤدي عناصر صناعة السبائك إلى تفاقم خصائصها. على وجه الخصوص ، يتعلق هذا المقطع العرضي الصغير لالتقاط النيوترونات الحرارية. الزركونيوم مخلوط من أجلقمع الآثار الضارة للنيتروجين وتحسين خصائص التآكل. العديد من عناصر النظام الدوري لمندليف ليست مناسبة ، لأنها تقلل من خصائص معينة.

أشهر سبيكة تستخدم في صناعة قضبان الوقود هي الزركلوي. عنصر السبائك الرئيسي هو القصدير ، والعناصر المساعدة هي الحديد والكروم والنيكل. في روسيا ، غالبًا ما يستخدم النيوبيوم في صناعة سبائك الزركونيوم. كما أن لديها مقطعًا عرضيًا منخفضًا لالتقاط النيوترونات الحرارية ، ويقلل من امتصاص الهيدروجين ، ويشكل محاليل صلبة فقط. وهذا بدوره يوفر السبائك ذات ليونة عالية.

سبائك الزركونيوم

مقاومة التآكل العالية لهذا المعدن تفسر سبب استخدامه في كثير من الأحيان كعنصر صناعة السبائك في المعادن الحديدية وغير الحديدية. بالإضافة إلى ذلك ، فهو غير قابل للذوبان في أحماض الهيدروكلوريك والنتريك والقلويات. وبالتالي ، فإن سبائك الزركونيوم متعددة المكونات مع المغنيسيوم تحظى بشعبية كبيرة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن صناعة السبائك مع هذا المعدن تزيد من مقاومة التيتانيوم الحمضية. تتمتع سبائك الزركونيوم مع النحاس بقوة عالية وموصلية كهربائية. غالبًا ما يتم استخدامه أيضًا كمادة مضافة في إنتاج درجات الصلب المختلفة. هذا يسمح لك بإزالة الكبريت والنيتروجين والأكسجين منها.

صناعة طبية

بالنظر إلى الزركونيوم وسبائكه ، لا يسع المرء إلا أن يذكر مجالًا آخر لاستخدامه. في الصناعة الطبية ، يحتلون مكانًا بعيدًا عن المركز الأخير. في الآونة الأخيرة ، الصلب وسبائك التيتانيوم. ومع ذلك ، في بعض الحالات ، رفض الجسم هذه المعادن ، مما أدى إلى ظهور رد فعل تحسسي. يستخدم الطب الحديث سبائك الزركونيوم والتيتانيوم لتصنيع الدبابيس واللوحات والغرسات وأطقم الأسنان وآليات تثبيتها.

لأن هذا المعدن ومركباته غير مهيجة للعظام والأنسجة الرخوة المحيطة ، فقد تم استخدامه بنجاح في صناعة المجوهرات. على سبيل المثال ، أقراط الزركونيوم لا تسبب رد فعل تحسسي وتلتئم جرح شحمة الأذن ليس أسوأ من الذهب.

استهلاك الطاقة

سبائك الألومنيوم والزركونيوم لها العديد من الخصائص الإيجابية ولذلك فهي تستخدم بنجاح في صناعة الطاقة. الحقيقة هي أن الأسلاك الفولاذية والنحاسية تزن كثيرًا ، وغالبًا ما لا تتحمل الدعامات القديمة مثل هذا الحمل. في عام 1960 ، في اليابان ، أنتجت مجموعة من العلماء سلسلة من سبائك الألمنيوم والزركونيوم. لقد قرروا أنه يمكن استخدام هذه المادة لفترة طويلة في درجات حرارة عالية (150-230 درجة مئوية) وفي نفس الوقت ستكون خفيفة جدًا. هذا يسمح باستخدامها لتصنيع الأسلاك ذات درجة الحرارة العالية. هذا يزيد من موثوقية وكفاءة الشبكات الكهربائية.

تطبيقات أخرى لمركبات وسبائك الزركونيوم

في العديد من مضادات التعرق ، يمكنك العثور على عنصر مثل الألومنيوم الزركونيوم رباعي كلوروهيدريكس. وهو مركب كيميائي يمتص العرق ورائحته. لقد وجد العلماء أنه ليس كذلكيمتص في الجلد ، وبالتالي ، لا يمكن أن يسبب ضررا جسيما للصحة. على الرغم من ذلك ، فإن الألومنيوم والزركونيوم رباعي كلورو هيدروكسي جلايسين محظور في الاتحاد الأوروبي والولايات المتحدة.

أكسيد الزركونيوم يستخدم في صناعة اليكتروكوراندوم. يتم الحصول عليها عن طريق الصهر في أفران كهربائية مائلة. تبين أن الزركونيوم الكهربائي قوي جدًا ويسمح بمعالجة المواد بقوة تحامل كبيرة. غالبًا ما يتم استخدامه للطحن الخشن والخشن.

بشكل عام ، تجدر الإشارة إلى أن الزركونيوم وسبائكه لها نقطة انصهار عالية ، ومقاومة كيميائية ، ومعامل تمدد حراري منخفض. لهذا السبب يتم استخدامه بنشاط في مجموعة متنوعة من المجالات.