مقدمه. هافنیم عنصري فلزي به رنگ خاکستري تیره – نقره اي درخشان با ساختار هگزاگونال است. هافنیم با رنگ خاکستري – نقره اي فلزي خود هفتاد و دومین عنصر جدول تناوبی است. از خواص اصلی فیزیکی هافنیم میتوان به جذب بالاي آن براي نوترونهاي حرارتی اشاره کرد بطوریکه cross section آن براي این نوترونها ۱۲۰barn می باشد. در حالیکه میزان جذب نوترونهاي حرارتی در زیرکونیم ۰ /۲ barn است. بنابراین میتوان نتیجه گیري نمود که فلز زیرکونیومی که در راکتور به کار می رود نمیتواند داراي هافنیم باشد. زیرکونیم و هافنیم را می توان جزء عناصري دانست که به سختی جداسازي می شوند. این دو فلز اگرچه از نظر شیمیایی مشابه یکدیگر هستند، ولی از نظر فیزیکی با هم تفاوتهایی دارند. به عنوان مثال چگالی زیرکونیم نصف چگالی هافنیم می باشد. هافنیم خالص از زیرکونیم بسیار ناخالص به دست می آید. هافنیم با فلزات متعددي از جمله آهن، تیتانیم، نیوبیوم و تانتالیم و سایر فلزات آلیاژ می شود. در دماي ۷۰۰ C هافنیم به سرعت هیدروژن جذب می کند تا ترکیب Hf H1.86 را بوجود آورد. هافنیم در مقابل قلیاهاي غلیظ مقاوم است، اما در دماهاي بالا با اکسیژن، نیتروژن، کربن، بور، سولفور و سیلسیم واکنش انجام می دهد. هافنیم در هوا به خودي خود محترق می گردد. بنابراین هنگام براده برداري فلز و یا حمل اسفنج هافنیم باید بسیار توجه داشت. فلز هافنیم بطور طبیعی باعث ایجاد عارضه و ناراحتی

۲۱st Iranian Nuclear Conference 25-26Feb 2015 University of Isfahan

_ ت و ی_ ن ا س _ ه _ی ان

۶و۷ ا” د ماه ۳۹۳۱ دا+ گاه ) هان

نمی شود، اما کلیهء ترکیبات هافنیم سمی هستند. سمیت فلز هافنیم بطور دقیق مشخص نشده است. این فلز در آب، محلولهاي نمکی و یا ترکیبات شیمیایی بدن نامحلول است. هافنیم از طریق تنفس، خوردن و یا تماس پوستی وارد بدن می شود. قرار گرفتن طولانی مدت در معرض هافنیم و ترکیبات آن باعث حساسیت پوستی و غشاي مخاطی می گردد. با قرار گرفتن در مقابل هافنیم هیچ علامت و نشانه اي در انسان ایجاد نمی شود.

روش کار. کاربردهاي هافنیم در صنعت. هافنیم در صنعت کاربردهاي فراوانی دارد. در ادامه به ذکر نام و شرح این کاربردها می پردازیم.
کاربرد هافنیم در ساخت الکترودها. از آنجا که هافنیم در برابر حرارت بسیار مقاوم است میتوان از این فلز در تولید الکترود هافنیم براي جوشکاري در آرگون استفاده نمود. از این فلز میتوان براي جوش فولاد خفیف در اتمسفر CO2 استفاده کرد. چنانچه یک کاتد موثر با راندمان بالا بخواهیم، می توانیم از ترکیب باریم و هافنیت (هر اکسیآنیون از هافنیم) استفاده نماییم.

کاربرد هافنیم درساخت سوپر آلیاژها. از هافنیم همچنین می توان در تولید سوپرآلیاژها استفاده نمود. به عنوان مثال چنانچه به فلز آلومینیم به اندازهء %۱ هافنیم بر، با اندازه دانه هاي ۴۰nm – 50nm اضافه نماییم سوپر آلیاژي به دست می آید که داراي استحکام بسیار زیادي در کشش، برش و پیچش است. اینگونه آلیاژها در برابر لرزش هم مقاومت بهتري دارند. از دیگر کاربردهاي هافنیم میتوان از اضافه نمودن آن به کبالت نام برد که آلیاژي تولید می کند که مقاوم تر از کبالت است. از این ترکیب در ساخت توربینها، صنایع غذایی، تولید مواد شیمیایی و صنایع نفت استفاده می شود. با اضافه کردن هافنیم به سوپرآلیاژهاي نیکلی مقاومت در برابر تحلیل رفتن تدریجی بویژه در دماهاي بالا افزایش پیدا می کند. دماي ذوب بالاي فلز باعث می شود تا دانه ها در مرز خود تقویت شوند و بنابراین خزش در اثر دماي زیاد کم شده و فلز در مقابل کشش مقاومت بیشتري پیدا کند. به عنوان یک نتیجه می توان گفت که صنعت سوپر آلیاژها سالانه بطور تخمینی به %۵۰ هافنیم نیاز دارد. آلیاژهایی که داراي %۱ تا %۲ از یک فلز مقاوم هستند می توانند در ساختار تیغه ها و پره هاي توربینها (استاتورها) به کار روند. از آلیاژهایی که داراي هافنیم هستند می توان به این موارد اشاره نمود:

– %۸) T111 تنگستن، %۲ هافنیم و تانتالیم بصورت تعادلی)

– کاربید مولیبدنیم- هافنیم %۲ – %۱) هافنیم، %۰/۱ کربن تعادلی)،

– %۳۰) WC-3015 هافنیم، %۱۵تنگستن و %۱/۵ زیرکونیم)N

– %۳۰) NiHf هافنیم) .[۱]

۲۱st Iranian Nuclear Conference 25-26Feb 2015 University of Isfahan

_ ت و ی_ ن ا س _ ه _ی ان

۶و۷ ا” د ماه ۳۹۳۱ دا+ گاه ) هان

کاربرد هافنیم در لامپهاي گازي و تابان و ساخت فیلامانها. از آنجا که هافنیم تقریبا” چهار برابر، مقاومتر از تنگستن است، از این فلز در ساخت آلیاژهاي تنگستن که در فیلامانها به کار می روند استفاده می شود. همچنین فیلامان لامپ هاي گازي و تابان به شکل رشته اي است و داراي یک لایهء سطحی از نیترید و هافنیم و یا آلیاژي از هافنیم می باشد. به علت وجود هافنیم، فیلامان در طیف نور مرئی واپاشی بیشتري خواهد داشت و در نتیجه لامپ پر نورتر خواهد بود. این فیلامان در فضایی که حاوي هیدروژن است از خود واکنش نشان می دهد.
کاربرد هافنیم در صنایع موشکی. کاربید هافنیم یکی از مقاوم ترین موادي است که تا دماي ۳۸۹۰ C
̊

مقاومت می نماید و به عنوان یک عنصر ساختاري در تولید نازل موشک مورد استفاده قرار میگیرد.

کاربرد هافنیم در پمپهاي خلاء به عنوان دریافت کننده. اگر کاربید هافنیم بصورت سرامیکی با تخلخلهاي ریز ساخته شود در محیط خلاء و بخار همراه با Cs133 براي جمع آوري موثر الکترونهاي با انرژي ۰/۱-۰/۱۲ الکترون ولت می تواند به کار رود. این کار به صورت تبخیر سطحی از سطح کاربید هافنیم انجام می شود. این طرح اساس طراحی موتورهاي یونی با قدرت بالا و ژنراتورهاي گرما یونی با توان کم است. با توجه به اینکه انرژي الکترونها در این روش بسیار کم (حداکثر ۳/۵۳ الکترون ولت) است لازم است تا از کاتدهاي با قدرت بالا و تفنگ الکترونی استفاده شود .[۲]

کاربرد هافنیم در نیروگاههاي هسته اي به عنوان میله هاي کنترلی. در تاسیسات انرژي هسته اي هافنیم تولیدي موجود در ایزومر ۱۷۸ m2 در واقع نوعی زباله محسوب می شود که بعد می تواند به عنوان جاذب نوترون در نیروگاههاي هسته اي مورد استفاده قرار گیرد. با توجه به استحکام مکانیکی این فلز و مقاومت خوب آن در برابر تحلیل رفتن تدریجی، از این فلز میتوان براي ساخت میله هاي کنترلی درراکتورهاي هسته اي استفاده کرد. فلز هافنیم داراي خواص مکانیکی بسیار عالی است و در مقابل تحلیل رفتن تدریجی مقاوم می باشد و بخوبی نوترونهاي حرارتی را جذب می نماید. مجموعهء این خواص باعث شده است تا این فلز در ساخت میله هاي کنترلی هسته اي که در راکتورهاي آب سبک به کار می روند به کار برده شود. کاربرد هافنیم در مصارف هسته اي در سالهاي اخیر کاهش یافته است، و میزان کاربرد این فلز در زیردریایی هایی که از راکتورهاي تحت فشار استفاده می کنند %۱۵ می باشد. ترکیب سرامیکی دي براید هافنیم که در دماهاي بالا تولید شده است، این اواخر در شیلدهاي حرارتی که در درون موشکهاي بالیستیک (ICBMs) وجود دارند به عنوان مادهء تشکیل دهندهء میله هاي کنترلی کاربرد دارد.