Сетевое издание
Международный студенческий научный вестник
ISSN 2409-529X

СВОЙСТВ ЦИРКОНИЯ В НАНО – И МИКРОСТРУКТУРЕ

Ерофеева Г.В. 1 Чжан Х.Х. 1 Ли К.К. 1
1 Национальный Исследовательский Томский политехнический университет
Цирконий, благодаря высокому пластичностям и стойкостям к коррозии, часто использующийся на ядерном реакторе и другом широком области. Исследовав свойств циркония, можно помочь лучше использовать этот важный элемент. Для этой цели, мы исследовали его кристаллические структуры (α-Zr — с гексагональной решёткой типа магния и β-Zr — с кубической объёмно центрированной решёткой), поверхность Ферми на стадии. Из-за того, что у нас нету информации для нано структуры циркония, то мы сравнили свойств в микроструктуре циркония и нано структуре диоксид циркония. В нано структуре длина свободного пробега значительно больше, чем она в микроструктуре. А электропроводимость в микроструктуре была наиболее выражение. Затем, мы исследовали метод технологий получения циркония. В последней статье, мы получили выводы. Этот исследование поможет нам лучше понять и использовать цирконий.
микроструктура
наноструктура
цирконий
1. Редкол.: Зефиров Н. С. (гл. ред.) Химическая энциклопедия: в 5 т. — Москва: Большая Российская энциклопедия, 1999. — Т. 5. — С. 384;
2. Поверхности Ферми базы данных [Электронный ресурс].- Режим доступа: http://www.phys.ufl.edu/fermisurface/, свободный.- Загл. с экрана.
3. Химия циркония / У.Б. Блюменталь. – М., 1963;
4. Косогор С.П., Шулятникова О.А., РогожниковА.Г., НеменатовИ.Г. Применение сплава циркония. [электронный ресурс]. – режим доступа: http://bone-surgery.ru. – 25.11.13;
5. Безлина Е.В., Кулаков О.Б., Чиликин Л.В., Головин К.И. Цирконий и титан. // Дентальная имплантология. – 2002. – С 26-28;
6. Цирконий, Материал из Википедии — свободной энциклопедии [Электронный ресурс].- Режим доступа: https://en.wikipedia.org/wiki/Zirconium , свободный.- Загл. с экрана.
Основное свойство циркония

Цирконий (Zr) — элемент побочной подгруппы четвёртой группы пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 40. Простое вещество цирконий — блестящий металл серебристо-серого цвета. Обладает высокой пластичностью, устойчив к коррозии.

Кристаллические структуры циркония

Существует в двух кристаллических модификациях:

  • α-Zr — с гексагональной решёткой типа магния (а = 3,231 Å; с = 5,148 Å; z = 2; пространственная группа P63/mmc)
  • β-Zr — с кубической объёмно центрированной решёткой (a = 3,61 Å; z = 2; пространственная группа Im3m).

 Переход α ↔ β происходит при 863 °C, ΔH перехода 3,89 кДж/моль. Добавки Al, Sn, Pb, Cd повышают, а Fe, Cr, Ni, Mo, Cu, Ti, Mn, Co, V и Nb понижают температуру перехода [1].

Рис. 1. Структуры решетки ГЦК и ОЦК

Рис. 2. Решетка ГЦК и соответствующая обратная решетка

Рис. 3. Решетка ОЦК и соответствующая обратная решетка

Рис. 4. Двумерная Зона Бриллюэна гексагональных решеток

Поверхность Ферми

Поверхность Ферми имеет сложную геометрическую форму, его схема поставляет на Рис. 5.

Рис. 5. Поверхность Ферми циркония [2]

Свойства циркония, как и других элементов, зависят от топологии поверхности Ферми.

Свойство микро и нано структур циркония

Физические свойства циркония в микроструктуре представлены в табл. 1.

Таблица 1 Свойства циркония в микроструктуре

Свойства

Циркония

Плотность

6,506 г/см³

Температура плавления

2125 K

Температура кипения

4650 K

Теплота плавления

19,2 кДж/моль

Теплота испарения

567 кДж/моль

Молярная теплоёмкость

25,3 Дж/(K·моль)

Молярный объём

14,1 см³/моль

Температура Дебая

291K

Теплопроводность

(300 K) 22,7 Вт/(м·К)

Цвет

Серебристо-серый

О чистом нано цирконии информации нет, мы изучили диоксид циркония.

Свойства диоксида циркония [3]:

ZrO2 (диоксид циркония), бесцветные кристаллы, tпл= 2715 °C. Оксид циркония – один из наиболее тугоплавких оксидов металлов. Диоксид циркония проявляет амфотерные свойства, нерастворим в воде и водных растворах большинства кислот и щёлочей, однако растворяется в плавиковой и концентрирован-ной серной кислотах, расплавах щелочей. Сравнительные свойства циркония в микроструктуре и нано структуре показаны в табл. 2.

Таблица 2 Сравнительные свойства циркония в микроструктуре и нано структуре

Свойства

Микроструктура (Zr)

Наноструктура (ZrO2)

Электропроводимость, См·м-1

43

2,43

Температура плавления, °С

1852

2715

Плотность, г/см3

6,506

5,89

Длина свободного пробега, нм

0,6

25

Физические причины изменения свойства в наноматериале [4, 5]

Из сравнения свойств циркония в микроструктуре и нано структуре, можно сказать, что некоторые свойства циркония изменились. Физические причины специфики заключаются в следующем:

1. Цирконий в нано материале обладает склонностью к самоорганизации кластерных структур;

2. Большая доля атомов находится на выступах и уступах поверхности. Поэтому свободная поверхность является стоком бесконечной емкости для точечных и линейных кристаллических дефектов;

3. Поверхностные эффекты механических свойств;

4. Тонкие физические эффекты взаимодействия электронов со свободной поверхностью.

Технологии получения

В промышленности исходным сырьем для производства циркония являются циркониевые концентраты с массовым содержанием диоксида циркония не менее 60-65 %, получаемые обогащением циркониевых руд.

Основные методы получения металлического циркония из концентратов — хлоридный, фторидный и щелочной процессы.

Хлоридный процесс основан на перевод циркония в летучий тетрахлорид ZrCl4 (Tсублимации 331 °C) с дальнейшей его очисткой и последующим металлотермическим восстановлением магнием в циркониевую губку. Используются два варианта хлорирования концентратов: прямое хлорирование смеси циркониевых концентратов с коксом хлорируют при 900—1000 °С и хлорирование предварительно полученных спеканием концентратов с коксом смеси карбидов и карбонитридов циркония при 400—900 °С:

ZrO2 + 2C + 2Cl2 → ZrCl4 + 2CO

ZrCl4 + 2Mg → Zr + 2MgCl2

При фторидном методе на первой стадии циркониевый концентрат спекают с гексафторсиликатом калия при 600—700 °С:

ZrO2 + K2 [SiF6] → K2 [ZrF6] + SiO2

Образовавшийся гексафторцирконат калия выщелачивают горячей водой и очищают фракционной перекристаллизацией от примеси гексафторгафната K2HfF6, после чего металлический цирконий получают электролизом расплава смеси гексафторцирконата калия и хлоридов калия и натрия [6].

Щелочной процесс является методом получения технически чистого диоксида циркония ZrO2, из которого металлический цирконий получают хлоридным или фторидным методом. В этом процессе цирконий переводится в растворимую форму спеканием концентрата с гидроксидом натрия при 600—650 °С, карбонатом натрия при 900—1100 °С либо со смесью карбоната и хлорида кальция при 1000—1300 °С, после чего образовавшиеся цирконаты натрия Na2ZrO3 или кальция CaZrO3 выщелачиваются соляной либо серной кислотами:

Na2ZrO3 + 4HCl → ZrOCl2 + 2NaCl + 2H2O

CaZrO3 + H2SO4 → ZrO(HSO4)2 + H2O

Водные растворы хлорида или сульфата цирконила далее очищаются и гидролизуются, осадок ZrO(OH)2 прокаливают и получают технический диоксид циркония ZrO2. [6]

Выводы и применение циркония и его сплавов

После исследования элемента циркония в микроструктуре и нано структуре и сравнения свойств, выяснились, что нано структуре имеет особенные свойства по сравнению с микроструктурой, например, электропроводимость диоксида циркония резко уменьшается, и его температура плавления намного повышается. Эти свойства обусловливают широкое применение циркония в промышленности.

Цирконий входит в состав ряда сплавов (на основе магния, титана, никеля, молибдена, ниобия и других металлов), используемых как конструкционные материалы.

Новые перспективы его применения в различных областях:

1. Атомная энергетика;

2. Черная металлургия;

3. Цветная металлургия;

4. Химические и нефтеперерабатывающие промышленности;

5. Электроника и электротехника;

6. Сплавы циркония применяют в качестве конструкционных материалов в ядерных реакторах;

7. Сплавы циркония используют в качестве коррозионно – стойкого материала в химическом машиностроении.


Библиографическая ссылка

Ерофеева Г.В., Чжан Х.Х., Ли К.К. СВОЙСТВ ЦИРКОНИЯ В НАНО – И МИКРОСТРУКТУРЕ // Международный студенческий научный вестник. – 2014. – № 4. ;
URL: https://eduherald.ru/ru/article/view?id=11952 (дата обращения: 27.11.2022).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074