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ГФИ-1

ニールス・ボーアは20世紀初頭に、最後の希土類金属はジルコニウムの類似体である72番元素であるべきと計算しました。D. デ・ヘヴェシとD. コスターは1923年に、ボーアが予測した性質を持つ新元素をグリーンランドやノルウェーのジルコンから発見しました。この元素はラテン語のコペンハーゲンの古名「ハフニア」に由来して命名されました。世界のハフニウム生産は年間70トンで、ジルコニウムの生産量と比例します。最も豊富な埋蔵を持つのは南アフリカとオーストラリアです。99%純度のハフニウムの価格は1kgあたり約780ドルです。

物理的特性

ハフニウム (Hf)は重く、高温で溶ける銀白色の金属です。密に詰まった六方晶系の結晶構造を持ち、比重は13.31 g/cm³です。原子価は+4、+3、+1、沸点は4603°C、融点は2233°Cです。熱中子吸収断面積は約100バルンで、ジルコニウムの0.2バルンを3桁も上回ります。このため、原子炉で用いられるジルコニウムにはハフニウムを含めてはなりません。天然同位体174Hfは半減期2x1015年で弱いα活性を持っています。

物理的特性

説明 表記
原子 (モル) 質量 g/mol 178.49
酸化状態 4, 3, 1
密度 [g/cm3] 13.31
融点 t°C 2233°C
融解熱 kJ/mol 25.1
熱伝導率 K [W/(m·K)] 23
蒸発熱 kJ/mol 575

用途

原子力エネルギー分野において 中性子吸収能力により、特殊セラミック、ガラス、原子炉制御棒(ボリド、酸化物、オキソカーバイド、リチウムハフナート、カーバイド、ジスプロシウムハフナートなど)として使用されます。W-Hf-Ta合金は原子力ガス相エンジンにおいて燃料供給に最適です。

光学において 高温耐性と高屈折率により、HfF4とHfO2は多層や天文学的X線ミラー、光ファイバフィラメント、夜間視覚装置に使用されます。

ラジオエレクトロニクスにおいて 低電子放出作業により、ハフニウムは強力な電子放出銃、ラジオランプ、熱電子効率ジェネレーターのカソードとして使用されます。電子の仕事関数は3.53 eVです。

電気工学において 耐熱と低電子放出作業は、Hfをアルゴン、CO2低炭素鋼の溶接用電極製造に使用することを可能にします。このような電極はタングステンよりも4倍耐久性があります。また、金属のプラズマ切断および酸素炎切断用電極におけるTa-Hf合金の経済的効果も高いです。合金には77%Hf、20%Ta、2%W、0.5%Ac、0.1%Cs、0.4%Crが含まれています。純粋なハフニウムと比較して9倍の耐久性です。

合金

アルミニウムに1% Hfを加えることで、粒径40−50 nmの超強力合金が生成されます。せん断、ねじり、引張りに高い強度を持ち、振動耐性が向上しています。Hfによる合金化は、石油精製および化学産業で必要とされる様々なコバルト合金の強化に寄与します。ハフニウムのボリドとカーバイドは3250°Cの融点を持ち、非常に耐摩耗性があり、超硬合金の成分としても使用されます。

HfCは融点3890°Cの最も耐熱性の高い材料の一つです。この合金は原子力ガス相ボイラーの構造やロケットノズルの製造に欠かせません。ニッケルとHfB2を用いた合金は極めて耐摩耗性のある複合被膜として使用されます。80% TaCと20% HfCの合金は融点4216°Cで最も耐熱性のある合金とされています。

機械工学において、ハフニウムで合金化されたチタン合金は船用エンジン部品に使用されます。ニッケルのハフニウム合金化は、耐酸化性や強度を向上させ、溶接性の向上に寄与します。タントのHf添加は、表面に複雑な酸化物の保護膜を形成することで酸化耐性を飛躍的に向上させ、高温衝撃に耐えることが出来ます。この特性を利用してロケット産業に不可欠な合金(ガスノズルやラダー等)を開発され、20% Hfを含むものが存在します。

その他の用途

ハフニウムはテルビウムやサマリウムなど希土類元素との合金として、非常に強力な永久磁石の基盤となります。HfO2を基にした高誘電率の誘電体は、マイクロエレクトロニクスにおいて従来のシリコン酸化物に代わり、情報の高密度化を達成します。高い誘電率を持つ誘電体として、ハフニウムシリサイドも知られています。スカンジウムとの合金はマイクロエレクトロニクスにおいて特異な抵抗性フィルムを得るために使用されます。

GFI-1の成分比率

ブランド 炭素 窒素 酸素 シリコン ジルコニウム  
GFI-1 0.03 0.015 0.03 0.02 1.0 0.05  

将来の使用分野

Hf-178m2は原子力エネルギー(原子力発電所—使用済みハフニウム制御棒)の副産物です。この同位体は半減期31年でエネルギーが存在し、核を照射することで放出可能です。Hf-178m2の1gに含まれるエネルギーはTNT 50kgと同等であり、「ポンプ」小型兵器レーザーやガンマ線源、例として非破壊検査やエネルギー源として利用可能です。

サプライヤー

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