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【原創(chuàng)】金屬知識(shí)----鋯 已有31人參與
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前期發(fā)了一個(gè)關(guān)于核電的帖子，主要是想和大家分享核電的美好前景，鋯作為核電材料被大量應(yīng)用，下面主要介紹鋯的知識(shí)（這些知識(shí)大家不難查到，但是把這些東西整理出來呈現(xiàn)給大家，還是費(fèi)了點(diǎn)功夫~希望大家認(rèn)可并支持） 金屬知識(shí) 鋯的發(fā)現(xiàn) 金屬鋯的力學(xué)性能 鋯的礦物含量 鋯的化學(xué)性質(zhì) 鋯與鉿 鋯（物理、化學(xué)性質(zhì)） 應(yīng)用指南 鋯在鎳氫電池中的應(yīng)用 鋯在固體電解質(zhì)電池中的應(yīng)用 鋯在鋰離子電池中的應(yīng)用 鋯在紡織業(yè)中的應(yīng)用 適宜作包殼用的鋯合金 鋯鉿在原子能工業(yè)中的應(yīng)用--結(jié)構(gòu)材料 一、鋯的發(fā)現(xiàn) 含鋯的天然硅酸鹽ZrSiO4稱為鋯石或風(fēng)信子石，它們廣泛分布于自然界中。鋯石、風(fēng)信子石具有從橙色到紅色的各種美麗顏色，常被認(rèn)為屬于寶石一類。據(jù)說，鋯石一詞來自阿拉伯文zargun，即朱砂；也有說是來自波斯文zargun，是金子的顏色；或說來自希臘文hyacinth，百合花一詞。亞洲的斯里蘭卡和非洲的塞內(nèi)加爾就是出產(chǎn)各種含鋯礦石有名的地區(qū)。 化學(xué)家們很早就對鋯石進(jìn)行了分析，認(rèn)為是含硅土、礬土、石灰和鐵的氧化物。如1777年瑞典化學(xué)家柏格曼在分析了斯里蘭卡產(chǎn)出的風(fēng)信子石后指出，其中含氧化硅25%、氧化鋁40%、氧化鈣20%、鐵的氧化物13%。 1789年，馬丁 克拉普羅斯對鋯石進(jìn)行了研究。他把鋯石和氫氧化鈉共熔，用鹽酸溶解冷卻物，在溶液中添加碳酸鉀，沉淀，過濾，并清洗沉淀物，再將沉淀物加硫酸煮沸，所得溶液蒸干，將殘?jiān)倥c硫酸煮沸，然后濾去硅的氧化物。在濾液中檢查鈣、鎂、鋁的氧化物，均未發(fā)現(xiàn)鋯。而在溶液中添加碳酸鉀后出現(xiàn)沉淀，這個(gè)沉淀物不像氧化鋁那樣溶于堿液，也不像鎂的氧化物那樣和酸作用�？死樟_斯認(rèn)為這個(gè)沉淀物和以前所得到的氧化物都不一樣，因此他認(rèn)為這個(gè)沉淀物中含有一種未知的獨(dú)特而簡單的土。馬丁提議稱它為Zirkonerde（鋯土）�？死樟_斯又分析了柏格曼曾經(jīng)分析過的同一種礦石，得出含Zirkonerde70%，其余是氧化硅25%和鐵的氧化物0.5%，這是由于柏格曼把Zirkonerde當(dāng)作氧化鋁和氧化鈣計(jì)算。克拉普羅斯的發(fā)現(xiàn)隨后又為其他一些化學(xué)家所證實(shí)。在1897年法國化學(xué)家德毛沃和伏克林在研究另一種新礦石時(shí)，也證實(shí)了克拉普羅斯的分析是正確的。他們把得到的物質(zhì)稱為氧化鋯(Zirconia)，并敘述了一些制備方法和化合物的性質(zhì)，于是Zirkonerde的存在被肯定下來，元素被命名為Zirconium，符號(hào)被正式定為Zr，我國后來將其稱為鋯。 摘自：冶金工業(yè)出版社《鋯鉿冶金》 二、 金屬鋯的力學(xué)性能 A．一般性能 金屬鋯屬于高熔點(diǎn)金屬，但其力學(xué)性能則與熔點(diǎn)較低的金屬很相似，如彈性系數(shù)小，強(qiáng)度極限隨溫度升高而下降等。在20℃下鋯的主要力學(xué)性能見下表： --------------------------------------------------------- 基 本 特 性 數(shù) 值 --------------------------------------------------------- 彈性系數(shù)/kg m^-2 9.82×10^10 --------------------------------------------------------- 硬度HB 64～67 --------------------------------------------------------- 抗拉強(qiáng)度極限/Pa (2.3～2.5) ×10^8 --------------------------------------------------------- 屈服極限/Pa 2.1×10^8 --------------------------------------------------------- 楊氏模量/Pa 9.39×10^8 --------------------------------------------------------- 泊松比 0.34 --------------------------------------------------------- 剪切模量/Pa 3.48×10^10 --------------------------------------------------------- B．中子輻照下鋯的某些力學(xué)性能 變形較大的金屬鋯在輻照條件下，其屈服極限有所降低，伸長率則有所提高。冷變形鋯在積水通量為5×1019n/cm2下的數(shù)值見表1。而電弧爐精煉后的鋯，在600℃退火1h，再經(jīng)260℃輻照后，其屈服極限、強(qiáng)度極限均變化不大，見表2。 表1 冷變形鋯的一些力學(xué)性能 ------------------------------------------------------------------------ T/K 屈服極限/ MPa 抗拉強(qiáng)度極限/MPa 伸長率/% ----------------------------------------------------------- 輻照前 輻照后 輻照前 輻照后 輻照前 輻照后 ------------------------------------------------------------------------ 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 輻照后退火鋯力學(xué)性能 ------------------------------------------------------------------------ 快中子總通量 屈服極限 強(qiáng)度極限 斷面收縮率 在50mm長度上 /n cm^-2 / MPa / MPa /% 的伸長率/% ------------------------------------------------------------------------ 0 120 276 48 29 ------------------------------------------------------------------------ 8×10^19 154 284 50 29 ------------------------------------------------------------------------ 2.5×10^20 165 279 52 25 ------------------------------------------------------------------------ 三、鋯的礦物含量 目前，已知鋯的獨(dú)立礦物有近40種，主要是鋯的氧化物（斜鋯石）及硅酸鹽，這些礦物中ZRO2含量變化很大，從4%~99%。鋯的硅酸鹽礦物多見于堿性巖，特別是霞石正長巖，其中鋯石則廣泛分布于幾乎所有類型的巖石中。至于鋯的氧化物（斜鋯石）則與超基性-堿性巖類中的碳酸巖有關(guān)，是在硅不足的條件下形成的。幾乎所有的鋯礦物都是內(nèi)生的，僅鋯鐵硅石是異性石風(fēng)化產(chǎn)物。 地殼中大部分鋯呈分散狀態(tài)存在于多種礦物中，以Nb、Ti、RE礦物中含鋯最高，其中燒綠石中鋯的含量超過4%。暗色礦物輝石、角閃石和云母對鋯的分散有重要作用。堿性巖的霞石中ZrO2的最大含量可達(dá)1.4%，鈉鐵閃石中為0.73%，其中鋯的含量升高與鐵和堿有關(guān)。與輝石、角閃石相比，云母明顯貧鋯。鋯也常存在于磁鐵礦、鈦磁鐵礦、鈦鐵礦、金紅石、榍石、鈣鈦礦和錫石中。淺色礦物長石、石英、霞石中含鋯很低，一般不超過60*10-6。富鋯的霞石正長巖風(fēng)化形成的高嶺土和多水高嶺土，含鋯分別可達(dá)0.31%和2.7%。 四、鋯的化學(xué)性質(zhì) 由于鋯的外層電子排列為4s24p64d25s2，化合價(jià)為2、3、4價(jià)，常見的為4價(jià)，鋯的穩(wěn)定性比鈦弱而比鉿強(qiáng)，是一強(qiáng)還原劑和穩(wěn)定金屬，但穩(wěn)定性受其表面狀態(tài)和雜質(zhì)含量的影響。經(jīng)熔煉或碘化后制得的致密鋯非常穩(wěn)定；鎂還原獲得的海綿鋯，由于是多孔海綿狀則較活潑；特別是鋯粉，粒度越細(xì)，由表面積越大，活性越高，易與氣體、水發(fā)生反應(yīng)。 常溫下金屬鋯在空氣中極為穩(wěn)定，與空氣中的氧、氮完全不發(fā)生反應(yīng)，致密鋯則能長期保持其金屬光澤。加熱時(shí)鋯強(qiáng)烈地吸收氧氮而形成穩(wěn)定的化合物，并在表面生成氧化物保護(hù)層。這一原理常被用于鎂還原——蒸餾結(jié)束后作為海綿鋯的出爐安全措施之一而采用，但在較高溫度下，鋯的氧化膜會(huì)失去保護(hù)作用。當(dāng)溫度超過800℃時(shí)，則迅速生成ZrO2，在靜止?fàn)顟B(tài)下的空氣中，鋯的氧化速率為1.08×10-2kg/(m2 h)；950℃時(shí)為7.07×10-2kg/(m2 h)。鋯在高溫下除與氧氮形成穩(wěn)定的化合物外，還可與CO2、、H2O氣發(fā)生反應(yīng)。 在低壓下鋯與氧、水蒸氣等的反應(yīng)溫度見下表： ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 溫度/℃ ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ H2 O2 N2 H2O(蒸汽) CO與CO2 ------------------------------------------------------------------------------ 300～400 700 1000 —— —— ------------------------------------------------------------------------------ 760 835 在1527以前無反應(yīng) —— —— ------------------------------------------------------------------------------ 起始反應(yīng)：180～230 550 ------------------ 600 —— 500 最佳條件：650～700 ------------------------------------------------------------------------------ 300 400 在400緩慢，在800迅速 300 800 ------------------------------------------------------------------------------ 五、鋯與鉿 鋯和鉿是兩個(gè)性質(zhì)相似的元素。它們都是銀灰色的難熔金屬。鋯的熔點(diǎn)為1852℃，鉿的熔點(diǎn)更高達(dá)2229℃。兩個(gè)金屬都具有良好的抗腐蝕能力，各方面的化學(xué)性質(zhì)都很接近。但是這兩個(gè)元素的原子核的性質(zhì)有一個(gè)重要的差別：元素鋯的原子核在原子能反應(yīng)堆中很少吸收反應(yīng)堆里面的中子，而元素鉿的原子核在反應(yīng)堆中卻能大量吸收里面的中子，它們俘獲中子的能力相差達(dá)800倍。正是由于鋯的熱中子俘獲能力特別小，鉿的熱中子俘獲能力又特別大，這兩種金屬又有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，因此在原子核工業(yè)中這兩種金屬都可以發(fā)揮很好的作用：金屬鋯用來做包裝燃料鈾的包套和反應(yīng)堆芯的其他結(jié)構(gòu)材料，這樣可減少核反應(yīng)所必須的中子的無謂損失，它在核電站和核動(dòng)力艦艇中得到廣泛的應(yīng)用；熱中子俘獲截面很大的鉿可以做成核反應(yīng)的控制棒。如果反應(yīng)堆里的核反應(yīng)過于激烈，在堆芯中多插幾根鉿棒能夠有效地吸收過多的熱中子，反應(yīng)堆里的核反應(yīng)就減緩了。反之，將反應(yīng)堆中的鉿棒提出少許，就可以使反應(yīng)加速，由金屬鉿制成的控制棒在核潛艇中得到普遍應(yīng)用。鋯和鉿兩個(gè)元素在原子能反應(yīng)堆中正好是一對“寶貝”。 鋯和鉿的高熔點(diǎn)化合物可以做成高級(jí)耐火材料。熔點(diǎn)為2700℃的二氧化鋯和熔點(diǎn)為2550℃的鋯英石（ZrSiO4）在熔煉高規(guī)格的合金時(shí)用來做爐體材料；熔點(diǎn)高達(dá)3895℃的碳化鉿可以做宇宙火箭的噴嘴。在這些場合，很難用其他耐火材料來代替鋯和鉿的化合物。 [ Last edited by 鋼鐵盒子 on 2011-3-6 at 11:24 ] |
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這是維基百科中給出的模量和硬度： Young's modulus 88 GPa Shear modulus 33 GPa Bulk modulus 91.1 GPa Poisson ratio 0.34 Mohs hardness 5.0 Vickers hardness 903 MPa Brinell hardness 650 MPa http://en.wikipedia.org/wiki/Zirconium |
8樓2011-03-08 08:22:03
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