История

Свойства

Применение

Опыты

         Гафний

 
    Гафний это один из достаточно редких и дорогих металлов, которые применяются в основном в атомной промышленности, авиационной и космической технике, в общем там, где на первом месте стоят свойства материалов, а уже потом рассматривается их стоимость и доступность для широкого применения. Тем не менее, небольшие количества гафния можно найти и в "более бытовых" изделиях, но об этом чуть позже.

    Гафний это довольно тяжелый металл серебристо-серого цвета. То есть полированная поверхность серебристая, а шероховатая, как у этого бруска - меет серую окраску. Брусок выпилен из иодидного прутка и в центре можно увидеть небольшую область с боле темной окраской, это исходная вольфрамовая проволока, на которой осаждался металл. По твердости, гафний немного превосходит цирконий и например ножовкой, пилится с трудом.
Одно из важный свойств гафния - его способность хорошо поглащать нейтроны. В этом, он сильно отличается от своего "соседа" циркония, который нейтроны как раз поглощает очень слабо. Поэтому если предполагается использовать цирконий и гафний в ядерной технике, они должны быть очищены друг от друга.

 
    Как и в случае циркония с титаном, первой "металлической" формой гафния, при его выделении из природного сырья, является гафниевая губка. Ее получают восстановлением HfCl₄ металлическим магнием в специальных бомбах. Дальше, губку или сплавляют в дуговых печах (если устраивает не очень высокая чистота металла) или, что чаще, направляют ее на иодидное рафинирование по методу Ван Аркеля и Де Бура.

 
    Сам по себе, чистый гафний, довольно пластичный металл и превратить его в мелкий порошок довольно сложно. Но если предварительно нагреть гафний в атмосфере водорода, он превращается в хрупкий гидрид, который измельчить гораздо проще. После этого, гидрид гафния можно нагреть до более высокой температуре в вакуме и он разложится обратно до металла. Таким образом получают порошкообразный гафний, котрый можно видеть на фото.

    Кстати, порошок гафния пирофорен, то есть может самопроизвольно загораться на воздухе. Причем горящий гафний нельзя потушить ни водой (при высокой температуре гафний прореагировать с ней со взрывом) ни задуть азотом (в нем он так же неплохо горит с образованием нитрида). Из-за этого, порошок хранят и транспортируют под слоем воды.

 
    Подробно, про иодидное рафинирование металлов, я написал на странице посвященной титану. Гафнй очищают точно таким же способом но металл осаждают на вольфрамовой проволоке нагретой до более высокой температуры (1600-1800°C). В зависимости от температуры осаждения, можно получить как более компактный, так и более "пушистый" пруток. Примеры нескольких таких кристаллических стержней можно увидеть на фотографиях. Не стоит забывать, что иодидное рафинирование не позволяет очистить гафний от примеси циркония, по этому если требуется металл реакторной чистоты, цирконий надо удалять еще до восстановления HfCl₄ магнием.

 
    Иодидные прутки достаточно красивы и металл в них имеет всокую чистоту, но для промышленности они практически бесполезны. Правда в "Справочнике по регким металлам" написано, что такие кристаллические прутки использовались в качестве регулирующих стержней экспериментального реактора, но это скорее исключение.

    Если же предполагается дальнейшая переработка гафния в проволоку, прутки, листы и т.п. его необходимо переплавить. Слиток на фотографии, получем методом плавающей зоны с нагревом электронным пучком. Более подробно про этот способ написано на страничке вольфрама. Этот метод удобен для переплавки небольших заготовок, а если надо получить слитки бОльшего размера, придется использовать плавку в водно-охлаждаемом медном кристаллизаторе.

 
    Как уже написано выше, несмотря на достаточно высокую твердость, гафний неплохо поддается механической обработке. На фото - гафниевая стружка полученная обработкой прутка на токарном станке.

 
    Для нанесения тонких пленок из металлического гафния или его соединений, чаще всего используется вакуумное напыление. Для этого процесса удобно использовать металл в виде небольших кусков, например вот таких коротких отрезков прутка - таблеток.

 
    Ну и, как я и обещал, одно из относительно "бытовых" применений гафния.
   Сейчас для раскроя листового металла довольно широко используется плалменная резка. Основная суть этого метода состоит в том, что металл нагревается электрической дугой и сгорает или выдувается потоком воздуха из разреза.
    Пример горелки используемой для плазменной резки показан на первом фото. Сам плазмотрон состоит из сопла, через которое продувается воздух, электрода на котором зажигается дуга и изолятора. Сами электрода изготовлены из меди, а вот небольшие вставки, которые хорошо видны на третьем фото - гафниевые.
   Не могу сказать точно, но по моему существует несколько причин, по которым в качестве материала электрода выбрали именно гафний.
    Во-первых, нагретый оксид гафния (который образуется на раскаленном кончике электрода) обладает хорошей способностью испускать электроны. Это важно для стабильного горения электрической дуги. Во-вторых, он совершенно не летуч и устойчив при нагревании на воздухе, в отличие от того же оксида вольфрама например. Если нагретый до высокой температуры вольфрамовый электрод обдувать воздухом, он очень быстро "улетит" в виде оскда WO₃. Ну и по сравнению например с цирконием, гафний достаточно тугоплавок, то есть не будет оплавляться от нагрева электрической дугой (расплавиться полностью электроду не даст соседство с медью имеющей высокую теплопроводность).

    Сначала мне казалось, что внутри таких медных электродов гафниевая проволока проходит по всей длине, но после растворения в азотной кислоте меди, стало понятно, что так просто гафнием разбрасываться не станут. Из него делают толко короткие вставки в электрод. Вес каждого цилиндрика, с последней фотографии, около 30 миллиграмм.