[交流] 【原创】金属知识----锆 已有31人参与

前期发了一个关于核电的帖子，主要是想和大家分享核电的美好前景，锆作为核电材料被大量应用，下面主要介绍锆的知识（这些知识大家不难查到，但是把这些东西整理出来呈现给大家，还是费了点功夫~希望大家认可并支持） 金属知识 锆的发现 金属锆的力学性能 锆的矿物含量 锆的化学性质 锆与铪 锆（物理、化学性质） 应用指南 锆在镍氢电池中的应用 锆在固体电解质电池中的应用 锆在锂离子电池中的应用 锆在纺织业中的应用 适宜作包壳用的锆合金 锆铪在原子能工业中的应用--结构材料 一、锆的发现     含锆的天然硅酸盐ZrSiO4称为锆石或风信子石，它们广泛分布于自然界中。锆石、风信子石具有从橙色到红色的各种美丽颜色，常被认为属于宝石一类。据说，锆石一词来自阿拉伯文zargun，即朱砂；也有说是来自波斯文zargun，是金子的颜色；或说来自希腊文hyacinth，百合花一词。亚洲的斯里兰卡和非洲的塞内加尔就是出产各种含锆矿石有名的地区。     化学家们很早就对锆石进行了分析，认为是含硅土、矾土、石灰和铁的氧化物。如1777年瑞典化学家柏格曼在分析了斯里兰卡产出的风信子石后指出，其中含氧化硅25%、氧化铝40%、氧化钙20%、铁的氧化物13%。     1789年，马丁 克拉普罗斯对锆石进行了研究。他把锆石和氢氧化钠共熔，用盐酸溶解冷却物，在溶液中添加碳酸钾，沉淀，过滤，并清洗沉淀物，再将沉淀物加硫酸煮沸，所得溶液蒸干，将残渣再与硫酸煮沸，然后滤去硅的氧化物。在滤液中检查钙、镁、铝的氧化物，均未发现锆。而在溶液中添加碳酸钾后出现沉淀，这个沉淀物不像氧化铝那样溶于碱液，也不像镁的氧化物那样和酸作用。克拉普罗斯认为这个沉淀物和以前所得到的氧化物都不一样，因此他认为这个沉淀物中含有一种未知的独特而简单的土。马丁提议称它为Zirkonerde（锆土）。克拉普罗斯又分析了柏格曼曾经分析过的同一种矿石，得出含Zirkonerde70%，其余是氧化硅25%和铁的氧化物0.5%，这是由于柏格曼把Zirkonerde当作氧化铝和氧化钙计算。克拉普罗斯的发现随后又为其他一些化学家所证实。在1897年法国化学家德毛沃和伏克林在研究另一种新矿石时，也证实了克拉普罗斯的分析是正确的。他们把得到的物质称为氧化锆(Zirconia)，并叙述了一些制备方法和化合物的性质，于是Zirkonerde的存在被肯定下来，元素被命名为Zirconium，符号被正式定为Zr，我国后来将其称为锆。 摘自：冶金工业出版社《锆铪冶金》 二、 金属锆的力学性能 A．一般性能     金属锆属于高熔点金属，但其力学性能则与熔点较低的金属很相似，如弹性系数小，强度极限随温度升高而下降等。在20℃下锆的主要力学性能见下表： ---------------------------------------------------------         基 本 特 性         数 值 ---------------------------------------------------------      弹性系数/kg m^-2    9.82×10^10 ---------------------------------------------------------      硬度HB              64～67 ---------------------------------------------------------      抗拉强度极限/Pa     (2.3～2.5) ×10^8 ---------------------------------------------------------      屈服极限/Pa         2.1×10^8 ---------------------------------------------------------      杨氏模量/Pa         9.39×10^8 ---------------------------------------------------------      泊松比              0.34 ---------------------------------------------------------      剪切模量/Pa         3.48×10^10 --------------------------------------------------------- B．中子辐照下锆的某些力学性能      变形较大的金属锆在辐照条件下，其屈服极限有所降低，伸长率则有所提高。冷变形锆在积水通量为5×1019n/cm2下的数值见表1。而电弧炉精炼后的锆，在600℃退火1h，再经260℃辐照后，其屈服极限、强度极限均变化不大，见表2。      表1  冷变形锆的一些力学性能 ------------------------------------------------------------------------      T/K      屈服极限/ MPa       抗拉强度极限/MPa    伸长率/%              -----------------------------------------------------------              辐照前    辐照后    辐照前    辐照后    辐照前    辐照后 ------------------------------------------------------------------------      20       748       742       867       867       35        42 ------------------------------------------------------------------------      90       720       671       805       805       27        34 ------------------------------------------------------------------------      160      643       630       706       742       19        29 ------------------------------------------------------------------------      200      609       574       636       650       21        27 ------------------------------------------------------------------------      表2  辐照后退火锆力学性能 ------------------------------------------------------------------------      快中子总通量    屈服极限    强度极限    断面收缩率    在50mm长度上        /n cm^-2       / MPa       / MPa       /%            的伸长率/% ------------------------------------------------------------------------      0               120         276         48            29 ------------------------------------------------------------------------      8×10^19        154         284         50            29 ------------------------------------------------------------------------      2.5×10^20      165         279         52            25 ------------------------------------------------------------------------ 三、锆的矿物含量     目前，已知锆的独立矿物有近40种，主要是锆的氧化物（斜锆石）及硅酸盐，这些矿物中ZRO2含量变化很大，从4%~99%。锆的硅酸盐矿物多见于碱性岩，特别是霞石正长岩，其中锆石则广泛分布于几乎所有类型的岩石中。至于锆的氧化物（斜锆石）则与超基性-碱性岩类中的碳酸岩有关，是在硅不足的条件下形成的。几乎所有的锆矿物都是内生的，仅锆铁硅石是异性石风化产物。     地壳中大部分锆呈分散状态存在于多种矿物中，以Nb、Ti、RE矿物中含锆最高，其中烧绿石中锆的含量超过4%。暗色矿物辉石、角闪石和云母对锆的分散有重要作用。碱性岩的霞石中ZrO2的最大含量可达1.4%，钠铁闪石中为0.73%，其中锆的含量升高与铁和碱有关。与辉石、角闪石相比，云母明显贫锆。锆也常存在于磁铁矿、钛磁铁矿、钛铁矿、金红石、榍石、钙钛矿和锡石中。浅色矿物长石、石英、霞石中含锆很低，一般不超过60*10-6。富锆的霞石正长岩风化形成的高岭土和多水高岭土，含锆分别可达0.31%和2.7%。 四、锆的化学性质     由于锆的外层电子排列为4s24p64d25s2，化合价为2、3、4价，常见的为4价，锆的稳定性比钛弱而比铪强，是一强还原剂和稳定金属，但稳定性受其表面状态和杂质含量的影响。经熔炼或碘化后制得的致密锆非常稳定；镁还原获得的海绵锆，由于是多孔海绵状则较活泼；特别是锆粉，粒度越细，由表面积越大，活性越高，易与气体、水发生反应。     常温下金属锆在空气中极为稳定，与空气中的氧、氮完全不发生反应，致密锆则能长期保持其金属光泽。加热时锆强烈地吸收氧氮而形成稳定的化合物，并在表面生成氧化物保护层。这一原理常被用于镁还原——蒸馏结束后作为海绵锆的出炉安全措施之一而采用，但在较高温度下，锆的氧化膜会失去保护作用。当温度超过800℃时，则迅速生成ZrO2，在静止状态下的空气中，锆的氧化速率为1.08×10-2kg/(m2 h)；950℃时为7.07×10-2kg/(m2 h)。锆在高温下除与氧氮形成稳定的化合物外，还可与CO2、、H2O气发生反应。     在低压下锆与氧、水蒸气等的反应温度见下表： ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━                                 温度/℃ ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ H2           O2                  N2                H2O(蒸汽)        CO与CO2 ------------------------------------------------------------------------------ 300～400   700                 1000                  ——             —— ------------------------------------------------------------------------------ 760         835                 在1527以前无反应      ——             —— ------------------------------------------------------------------------------            起始反应：180～230 550       ------------------    600                    ——              500            最佳条件：650～700 ------------------------------------------------------------------------------ 300       400                 在400缓慢，在800迅速   300                800 ------------------------------------------------------------------------------ 五、锆与铪     锆和铪是两个性质相似的元素。它们都是银灰色的难熔金属。锆的熔点为1852℃，铪的熔点更高达2229℃。两个金属都具有良好的抗腐蚀能力，各方面的化学性质都很接近。但是这两个元素的原子核的性质有一个重要的差别：元素锆的原子核在原子能反应堆中很少吸收反应堆里面的中子，而元素铪的原子核在反应堆中却能大量吸收里面的中子，它们俘获中子的能力相差达800倍。正是由于锆的热中子俘获能力特别小，铪的热中子俘获能力又特别大，这两种金属又有优良的热稳定性和化学稳定性，因此在原子核工业中这两种金属都可以发挥很好的作用：金属锆用来做包装燃料铀的包套和反应堆芯的其他结构材料，这样可减少核反应所必须的中子的无谓损失，它在核电站和核动力舰艇中得到广泛的应用；热中子俘获截面很大的铪可以做成核反应的控制棒。如果反应堆里的核反应过于激烈，在堆芯中多插几根铪棒能够有效地吸收过多的热中子，反应堆里的核反应就减缓了。反之，将反应堆中的铪棒提出少许，就可以使反应加速，由金属铪制成的控制棒在核潜艇中得到普遍应用。锆和铪两个元素在原子能反应堆中正好是一对“宝贝”。     锆和铪的高熔点化合物可以做成高级耐火材料。熔点为2700℃的二氧化锆和熔点为2550℃的锆英石（ZrSiO4）在熔炼高规格的合金时用来做炉体材料；熔点高达3895℃的碳化铪可以做宇宙火箭的喷嘴。在这些场合，很难用其他耐火材料来代替锆和铪的化合物。 [ Last edited by 钢铁盒子 on 2011-3-6 at 11:24 ]

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