Zirconium: et højtemperaturbestandigt strategisk metal, der understøtter avanceret fremstilling

I overgangsmetalfamilien er zirconium (Zr) blevet et uundværligt strategisk kernemateriale inden for avancerede områder som nuklear industri, kemisk industri og marineteknik på grund af dets ekstreme høje temperaturbestandighed, fremragende korrosionsbestandighed, ultrahøje styrke-til-vægtforhold og god nuklear kompatibilitet, og er kendt som "højtemperaturbestandigt strategisk metal". I 1789 opdagede den tyske kemiker Klaprot zirconium for første gang fra zircon, og i 1824 adskilte den svenske kemiker Bezelius metalzirconium for første gang ved at reducere zirconiumtetrachlorid med kalium. Dens navn er afledt af det tyske "Zirkon", som svarer til zirkonmalmen, som er opkaldt efter den oprindeligt blev udvundet af denne malm. I naturlig tilstand findes zirconium sjældent i form af elementært stof, hovedsageligt i form af silikat (såsom zircon ZrSiO₂) og oxid (såsom plagiozircon ZrO₂) i skorpen, og forekomsten i skorpen er ca. Globale zirkoniumressourcer distribueres hovedsageligt i Australien, Sydafrika, USA, Indien og andre lande. Kinas zirkoniumressourcer er relativt knappe og meget afhængige af udlandet. Med sine kernefordele som "høj temperaturbestandighed, korrosionsbestandighed, styrke og letvægt" indtager zirconium en uerstattelig position i moderne high-end fremstillings- og strategiske industrier, og dets strategiske værdi er fremtrædende.

I. Grundlæggende kemiske egenskaber ved zirconium: den perfekte kombination af stabilitet og styrke

Zirconium er placeret i gruppe IVB i det periodiske system med et atomnummer på 40 og et elektronarrangement på [Kr] 4d²5s². Det mest bemærkelsesværdige træk er den stabile valenstilstand, almindeligvis 4 valens og 3 valensforbindelser kan dannes under nogle forhold, men er ekstremt ustabile . 4-valensforbindelser (såsom zirconiumdioxid ZrO₂ og zirconiumtetrachlorid ZrCl²) er de eneste stabile former for zirconiumforbindelser. Ved stuetemperatur er zirconium et sølvgrå metal med metallisk glans, med en densitet på 6,51 g/cm³, mellem aluminium (2,7g/cm³) og jern (7,86g/cm³), og er et metal med middel massefylde; Teksturen er hård og har fremragende duktilitet og sejhed. Det kan laves til plader, stænger, tråde, folie og andre former gennem valsning, smedning, trådtrækning, stempling og andre forarbejdningsprocesser. Det har fremragende koldbehandlingsydelse og kan realisere højpræcisionsstøbning. Smeltepunktet for zirconium er så højt som 1852 grader og kogepunktet er 4377 grader. Det er et ultrahøjtemperaturstabilt metal. Det kan have gode mekaniske egenskaber og strukturel stabilitet ved ekstremt høje temperaturer over 1000 grader og er velegnet til anvendelseskravene til avancerede scenarier såsom atomreaktorer. Med hensyn til kemisk aktivitet er zirconiums kemiske egenskaber relativt stabile. Ved stuetemperatur vil der hurtigt dannes et lag af tæt oxidfilm (hovedsageligt ZrO₂) på overfladen. Tykkelsen af ​​dette lag af oxidfilm er kun et par nanometer, men tætheden er ekstremt stærk, hvilket effektivt kan blokere det indre. Metaller og eksterne medier giver zirconium fremragende korrosionsbestandighed og oxidationsbestandighed, og dens korrosionsbestandighed er endnu bedre end titanium og rustfrit stål. Ved stuetemperatur reagerer zirconium ikke væsentligt med vand, luft, fortyndet svovlsyre, fortyndet saltsyre, salpetersyre og andre almindelige medier og kan modstå de fleste syre-base erosion undtagen flussyre og koncentreret fosforsyre; Ved høje temperaturer øges den kemiske aktivitet af zirconium betydeligt og kan reagere med en række ikke-metaller: reagere med oxygen for at danne zirconia (Zr+O₂=ZrO₂), som er et vigtigt højtemperaturkeramisk og ildfast materiale; Reaktion med klorgas til dannelse af zirconiumtetrachlorid (Zr₂₊Cl₂=ZrCl₂), som er et nøglemellemprodukt til fremstilling af zirconiumsalte og zirconiumbaserede kompositter; Reager med kulstof for at danne zirconiumcarbid (Zr+C=høj temperatur=ZrC). Zirconiumcarbid har ekstrem høj hårdhed og et smeltepunkt på mere end 3500 grader. Det er kernekomponenten i strukturelle materialer med ultrahøj temperatur; Reager med nitrogen for at danne zirconiumnitrid (3Zr+N₂=høj temperatur=Zr₃N₄). Zirconiumnitrid har god højtemperaturstabilitet og slidstyrke og bruges ofte til metaloverflademodifikation; Reaktion med brint ved høj temperatur for at danne zirconiumhydrid (Zr+H₂=høj temperatur=ZrH₂), zirconiumhydrid er et vigtigt råmateriale til fremstilling af højrent zirconiumpulver og hydrogenopbevaringsmaterialer.

II. Inter-konvertering af zirconiumforbindelser: et præcisionssystem med 4 valens som kernen

Sammensætningskonverteringen af ​​zirconium tager 4 valens som det eneste kernetræk og følger kernekonteksten "simpelt stof → basisk oxid/halogenid → salt/kompleks → legering/funktionelt materiale". Omdannelsesprocessen påvirkes af reaktionsbetingelser (temperatur, pH, reaktionsatmosfære) er væsentligt reguleret. Dette præcisionskonverteringssystem er kernefundamentet i zirconiumindustrikæden og understøtter anvendelsen af ​​zirconium i flere avancerede områder. Blandt dem er zirconia (ZrO₂) kernen i konverteringssystemet med ekstrem høj stabilitet og reaktivitet. En vigtig bro mellem upstream-råmaterialer og downstream-produkter; Zirconiumtetrachlorid (ZrCl₄) er et vigtigt mellemprodukt til omdannelsen af ​​zirconiumforbindelser og anvendes i vid udstrækning til fremstilling af forskellige zirconium-baserede materialer; Zirconiumkomplekser (såsom zirconiumoxidkomplekser) spiller en vigtig rolle i katalyse, keramisk fremstilling og andre områder. Da zirconium kun har en stabil valens på 4, er omdannelsen af ​​dets forbindelser for det meste ikke-redox-reaktioner, såsom metatesereaktioner, syre-base-neutraliseringsreaktioner osv. Sure forhold er befordrende for den stabile eksistens af zirconiumsalte, mens alkaliske forhold fremmer dannelsen af ​​zirconatsalte. En del af omdannelsen skal udføres i inert for at undgå oxidation eller reduktion af zirconiumforbindelser.

(I) Omdannelse af elementære zirconiumforbindelser med basiske forbindelser

Zirconium elementært stof er udgangspunktet for konverteringssystemet. I industrien udvindes det for det meste fra zircon: Først omdannes zircon til opløseligt zirconiumsalt gennem alkalismeltning, syreudvaskning og andre processer, og derefter opnås zirconia gennem ekstraktion, udfældning, kalcinering og andre trin. Endelig fremstilles zirconiummetal ved magnesiumreduktion eller elektrolyse. Reaktionen mellem elementært zirconiumstof og oxygen er naturligvis temperaturafhængig. Det oxideres ved stuetemperatur for at danne en tæt oxidfilm, og ZrO 2 dannes ved høj temperatur og tilstrækkelig ilt. Denne reaktion er en af ​​kerneprocesserne til industriel fremstilling af højrent zirconia. Reager med klorgas ved høj temperatur for at danne ZrCl →, ZrCl → er let at sublimere og kan renses ved destillation. Det er et nøglemellemprodukt til fremstilling af højrent zirconium og zirconium-baserede kompositmaterialer. Zirconiumhydrid fremstilles ved at reagere med brint ved høj temperatur, og zirconiumhydrid kan nedbrydes for at opnå højrent zirconiumpulver. Denne metode er kerneprocessen til industriel fremstilling af ultrafint zirconiumpulver. Zirconiumcarbid reagerer med kulstof ved høj temperatur og vakuum og danner zirconiumcarbid, som er et vigtigt råmateriale til fremstilling af ultrahøj temperatur keramik.

(II) Kernehub: konverteringssti for zirconia

Zirconia (ZrO₂) er kernen i omdannelsen af ​​zirconiumforbindelser, med ekstrem høj kemisk stabilitet og reaktivitet, og er en nøglebro, der forbinder opstrøms råmaterialer og nedstrømsprodukter. Under sure forhold reagerer ZrO2 med koncentreret svovlsyre til dannelse af zirconiumsulfat. Reaktionsformlen er ZrO₂+2H₂SO₂(koncentreret) =Zr (SO₂)₂+2H₂O. Zirconiumsulfat er et vigtigt kemisk råmateriale og katalysatorbærer; Reaktion med flussyre til dannelse af fluorzirconsyre, reaktionsformlen er ZrO₂+6HF=H₂ZrF₆+2H₂O, fluorzirconsyre er et vigtigt mellemprodukt til fremstilling af zirconiumbaserede fine kemikalier. Under alkaliske forhold reagerer ZrO2 med natriumhydroxid til dannelse af natriumzirconat. Reaktionsformlen er ZrO₂+2NaOH== Na₂ZrO₃+H2O. Natriumzirconat kan omdannes til zirconiumhydroxid eller zirconiumdioxid efter forsuring. Det er et vigtigt råmateriale til fremstilling af zirconium-baseret keramik. Derudover kan ZrO₂ danne zirconiummetal gennem magnesiumreduktion, reaktionsformlen er ZrO₂+2Mg=høj temperatur=Zr+2MgO, som er kerneprocessen til industriel fremstilling af zirconiummetal. ZrO₂ kan også reagere med oxider såsom aluminiumoxid og yttriumoxid for at danne zirconium-baserede kompositoxider, såsom yttriumoxidstabiliseret zirconia (YSZ), som er kernematerialet i højtemperaturbrændselsceller og oxygensensorer.

(III) Omdannelse af zirconiumforbindelser med legeringer

Zirconiumforbindelser kan producere en række funktionelle materialer gennem reduktion, metatese, koordination og andre reaktioner, blandt hvilke legeringsomdannelsen af ​​zirconium og andre metaller er den mest værdifulde retning for anvendelse. Gennem smeltning, pulvermetallurgi og andre processer kan zirconium danne legeringer med titanium, nikkel, niobium og andre elementer (såsom zirconium-titanium-legering, zirconium-niobium-legering, zirconium-niobium-legering osv.), Disse legeringer har både højtemperaturbestandighed, korrosionsbestandighed af zirconium-legeringer og udvidet anvendelse af zirconium-elementer. scenarier for zirconium. For eksempel har zirconium-niobium legering fremragende nuklear kompatibilitet og korrosionsbestandighed og er kernematerialet i atomreaktorbrændstofbeklædning; Zirconium-titanium-legering har god biokompatibilitet og mekaniske egenskaber og kan bruges i implanterede enheder inden for det medicinske område; Zirconium-nikkel-legeringer har fremragende brintlagringsegenskaber og er en vigtig forskningsretning for brintlagringsmaterialer. Derudover kan zirconiumoxider anvendes til fremstilling af højtemperaturkeramik, ildfaste materialer og katalysatorunderstøtninger; Zirconiumcarbider og nitrider kan bruges til at fremstille strukturelle materialer med ultrahøj temperatur og cementerede carbider, nuklear industri og andre ekstreme anvendelseskrav.

III. Kerneanvendelsen af ​​zirconium: en hard-core supporter i det avancerede område

Anvendelsesværdien af ​​zirconium er meget koncentreret i sin ekstreme høje temperaturbestandighed, fremragende korrosionsbestandighed, ultrahøje styrke-til-vægt-forhold og gode nukleare kompatibilitet. Det spiller en uerstattelig rolle og er et af nøglematerialerne, der understøtter moderne højteknologiske industrier og strategiske industrier. Blandt dem er atomindustrien det største forbrugsområde for zirconium, der tegner sig for mere end 60% af det globale zirconiumforbrug, efterfulgt af de kemiske, medicinske og keramiske områder.

1. Nuklear industri: Kernestrukturmaterialer til atomreaktorer

Dette er det centrale strategiske anvendelsesområde for zirconium. Zirconium og zirconiumlegeringer (hovedsageligt zirconium-niobium legeringer) har fremragende nuklear kompatibilitet, korrosionsbestandighed og lavt neutronabsorptionstværsnit og er de foretrukne materialer til kernekomponenter såsom brændstofbeklædning, trykrør og styrerør i atomreaktorer. I atomkraftværker i trykvandsreaktorer omslutter brændstofbeklædningen af ​​zirconiumlegering kernebrændselpillerne direkte og tjener i højtemperatur- og højtryksvandmedier. Det skal ikke kun modstå den høje temperatur og stråling fra nukleart brændsel, men også modstå korrosion af kølemidler for at sikre sikkerheden af ​​atomreaktorer. stabil drift; I atomkraftværker i tungtvandsreaktorer bærer trykrør af zirconiumlegeringer, som de kernestrukturelle dele af reaktoren, nukleart brændsel og kølevæske og er nøglegarantien for reaktorsikkerhed. Derudover kan zirconiumoxider bruges til at fremstille ildfaste materialer og varmeisoleringsmaterialer til atomreaktorer, hvilket yderligere forbedrer nukleare anlægs sikkerhed.

2. Luftfartsområde: Nøglematerialer til strukturer med ultrahøj temperatur

Zirkonium er blevet et nøglemateriale på området med dets ekstreme høje temperaturbestandighed og ultrahøje styrke-til-vægt-forhold. Inden for motorer kan zirconium-baserede superlegeringer og zirconiumcarbid-kompositmaterialer bruges til at fremstille kernekomponenter såsom turbineblade, forbrændingskamre og dyser til motorer. Disse komponenter skal modstå høje temperaturer over 1.000 grader og store mekaniske belastninger, når de arbejder. Zirconium-baserede materialer Det kan effektivt opfylde sine præstationskrav og forbedre motorens fremdrift og effektivitet; Inden for raketmotorer kan zirconiumcarbid og nitrid-kompositmaterialer bruges til at fremstille komponenter med ultrahøj temperatur, såsom dysehalsforinger og forbrændingskamre i motorer til at modstå højtemperaturgaserosion over 3000 grader Celsius; Inden for strukturelle dele har zirconiumlegering egenskaberne af let vægt og høj styrke og kan bruges til at fremstille flykroppe, vinger og andre komponenter for at reducere strukturel vægt og forbedre udstyrets udholdenhed og manøvredygtighed.

3. Kemisk industri: Ekstremt ætsende kerneudstyrsmaterialer

Zirconium og zirconiumlegeringer har fremragende korrosionsbestandighed og er de vigtigste udstyrsmaterialer i den kemiske industri under ekstrem korrosion. I reaktionen af ​​stærk syre og stærke alkalimedier bruges zirconiumlegering i reaktor, lagertank, rørledning, varmeveksler og andet udstyr, som kan modstå korrosion af stærke korrosive medier såsom koncentreret saltsyre, koncentreret svovlsyre og koncentreret salpetersyre (undtagen flussyre), hvilket i høj grad forlænger levetiden for udstyr og vedligeholdelse; Inden for den petrokemiske industri bruges zirconiumlegeringer til fremstilling af råoliedestillationskolonner, reaktionsbeholdere og andet udstyr, der tilpasser sig de barske arbejdsforhold med høj temperatur, højt tryk og korrosive medier; Inden for finkemikalier har zirconium-baserede katalysatorbærere (såsom zirconia) god termisk stabilitet og katalytisk aktivitet og kan bruges til at understøtte forskellige katalysatorer for at forbedre reaktionseffektiviteten og selektiviteten; Inden for miljøbeskyttelse kan zirconium-baserede adsorbenter bruges til at adsorbere tungmetalioner og organiske forurenende stoffer i industrielt spildevand for at rense vandkvaliteten.

4. Andre felter: Funktionsaktivere til specielle scenarier

På det medicinske område har zirconiumlegering god biokompatibilitet og korrosionsbestandighed og kan bruges til at fremstille medicinsk udstyr såsom kunstige led, tandimplantater og ortopædiske fikseringsanordninger. Det kan godt kombineres med humant væv og vil ikke forekomme under brug. Korrosion og nedbrydning, høje krav til materialer inden for det medicinske område; Inden for keramik er zirconia et vigtigt råmateriale til strukturel keramik og funktionel keramik. Yttria-stabiliseret zirconia (YSZ) har høj styrke, høj sejhed og god varmeledningsevne og kan bruges til at fremstille keramiske værktøjer, motorkeramiske komponenter, iltsensorer osv.; Inden for elektronik kan zirconiumoxider bruges til at fremstille kondensatorer, piezoelektrisk keramik og halvledermaterialer for at forbedre ydeevnen og stabiliteten af ​​elektroniske enheder; Inden for skibsteknik har zirconiumlegeringer fremragende havvandskorrosionsbestandighed og kan bruges til at fremstille skibspropeller, rørledninger, ventiler og andre komponenter for at modstå erosion af havvand og havatmosfære; Inden for ny energi kan zirconium-baserede materialer bruges til at fremstille elektrolytter til fastoxidbrændselsceller (SOFC) for at forbedre energikonverteringseffektiviteten og levetiden for brændselsceller.

IV. Industriel værdi og udsigter for zirconium

Forekomsten af ​​zirconium i jordskorpen er omkring 0,0165%. De globale zirkoniumressourcer er hovedsageligt koncentreret i zirkon og plagiozirkon. De vigtigste distributionslande omfatter Australien, Sydafrika, USA, Indien, Brasilien osv. Blandt dem rangerer Australiens zirkoniumreserver og produktion først i verden. Som et vigtigt strategisk metal er den industrielle værdi af zirconium tæt forbundet med den nukleare industri, industri og high-end kemisk industri. Med væksten i den globale efterspørgsel efter ren energi, teknologiske gennembrud og opgradering og transformation af high-end produktion, er den globale efterspørgsel efter zirconium og zirconium-baserede materialer steget, hvilket fremmer zirconiumindustrien til at blive high-end, raffineret og grøn.

Kina er en stor forbruger af zirconium, men zirconium ressourcer er relativt knappe, og dets afhængighed af udlandet overstiger 80%. Det har dannet en komplet industriel kæde fra import af zirkoniummalm, fremstilling af zirconiumforbindelser, behandling af zirconiumlegeringer til terminalapplikationer. Det har visse tekniske fordele i produktionen af ​​zirconium kemiske produkter og zirconium legeringer behandling. Men high-end zirconium-baserede superlegeringer, nuklear-grade zirconium legeringer og andre områder er stadig afhængige af import, og tekniske flaskehalse skal brydes igennem. I fremtiden, med omfanget af Kinas atomkraftindustri, uafhængig innovation af industrien og opgradering og transformation af high-end kemisk industri, vil Kinas efterspørgsel efter high-end zirconiummaterialer udvide sig yderligere; Samtidig vil den højeffektive udvindingsteknologi af zirconium, forskning og udvikling af højtydende zirconium-baserede materialer, lokalisering af nuklear-grade zirconium legeringer og genanvendelse af sekundære ressourcer af zirconium (såsom udvinding af zirconium fra affaldsnukleare anlæg og alle zirconium affaldskomponenter) blive drivkraften for zirconium. En vigtig retning for høj industri. Derudover vil anvendelsesudforskningen af ​​zirconium i banebrydende felter (såsom kontrollerbar nuklear fusion og ultra-højhastighedsfly) yderligere udvide dens industrielle værdi og yde kernestøtte til opgradering af Kinas avancerede fremstillingsindustri og energitransformation.

Konklusion

Som et "højtemperaturbestandigt strategisk metal", der understøtter avanceret fremstilling, er overgangsmetallet zirconium vidt udbredt i jordskorpen, men den berigede malm er knap. Nøgle strategiske materialer, der understøtter nuklear industri, industri og high-end kemisk industri. Fra zirconiumlegeringsbrændstofbeklædningen af ​​atomreaktorer til de ultrahøje temperatur zirconium-baserede komponenter i motorer, fra det korrosionsbestandige zirconiumlegeringsudstyr på det kemiske område til zirconiumlegeringsimplantatudstyret på det medicinske område, findes zirconium i mange områder relateret til national energisikkerhed, teknologisk konkurrenceevne og nøgleområder for menneskers velvære og nøgleområder. Med den fortsatte udvikling af videnskab og teknologi vil udvindings- og forarbejdningsteknologien for zirconium fortsætte med at gøre gennembrud, mere højtydende og raffinerede zirconium-baserede materialer vil blive udviklet, og dens kerneposition i den globale industrielle kæde vil være mere stabil, hvilket bidrager til den rene energi i det menneskelige samfund, innovation og high-end produktionsmomentumopgraderinger i