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닐스 보어는 20세기 초 희토류 원소의 마지막 원소는 72번 원소로, 지르코늄의 유사체인 원소여야 한다고 계산했습니다. D. 드 헤베시와 D. 코스터는 1923년에 그린란드 및 노르웨이 지르콘에서 보어가 예측한 성질을 가진 새로운 원소를 발견했습니다. 이 원소는 라틴어로 코펜하겐의 옛 이름인 Hafnia에서 유래하여 하프늄이라 명명되었습니다… 전 세계 하프늄의 생산량은 연간 70톤으로, 지르코늄의 생산량에 비례합니다. 하프늄의 가장 풍부한 매장지는 남아프리카공화국과 호주에 있습니다. 99%의 순도 하프늄의 가격은 킬로그램당 약 780달러입니다.

물리적 특성

하프늄(Hf)은 무거운 내열성 은백색 금속입니다. 밀도가 높은 육방형 구조의 결정격자를 가지고 있으며, 밀도는 13.31 g/cm³입니다. 화합가 +4, +3, +1, 끓는점은 4603 °C, 융점은 2233 °C입니다. 열중성자 포획 단면적은 약 100 바른으로, 지르코늄(0.2 바른)보다 세 자릿수 더 큽니다. 이로 인해 원자로에 사용되는 지르코늄에는 하프늄이 포함되어 있어서는 안 됩니다. 자연 동위 원소 ¹⁷⁴ Hf는 반감기가 2x10¹⁵년인 약한 α-방사능을 가집니다.

물리적 특성

사용

핵에너지 산업. 중성자 포획 능력 덕분에 특수 세라믹, 유리, 원자로 제어봉(보라이드, 산화물, 산화탄소화물, 리튬 하프네이트, 카바이드, 디스프로슘 하프네이트) 형태로 사용됩니다. W-Hf-Ta 합금은 원자 가스상 엔진의 연료 전달에 최적입니다.

광학. 내열성과 높은 굴절률 덕분에 HfF₄와 HfO₂는 다층 및 천문 엑스레이 미러, 광섬유 필라멘트, 야간 투시 장비 제작에 사용됩니다.

라디오전자공학. 낮은 전자 방출 작업 덕분에 하프늄은 강력한 전자포, 라디오 튜브 및 열방사 효율 전기 발전기의 사용이 가능합니다 (전자 방출 작업 3.53 eV).

전기공학. 내열성과 낮은 전자 방출 작업 덕분에, Hf는 아르곤, CO₂ 대기에서 저탄소강을 용접하기 위한 전극 제작에 사용됩니다. 이 전극은 텅스텐보다 약 네 배 더 높은 내구성을 가지고 있습니다. 또한 Ta-Hf 합금을 사용한 공기 플라즈마 및 산소 플래시 절단 전극의 높은 경제적 효과를 언급해야 합니다. 이 합금에는 77% Hf, 20% Ta, 2% W, 0.5% Ag, 0.1% Cs, 0.4% Cr이 포함되어 있으며, 순수 하프늄보다 9배 더 긴 수명을 제공합니다.

합금

알루미늄에 1%의 Hf를 추가하면 결정 크기가 40-50 nm인 초강한 합금이 만들어집니다. 이 합금은 전단, 비틀림, 인장에서 높은 극한 강도를 가지며 진동 저항이 개선되었습니다. Hf를 사용한 합금은 석유 정제 업계와 산업 화학에서 요구되는 다양한 코발트 합금을 강화합니다. 융점이 3250 °C인 하프늄 보라이드 및 카바이드는 매우 내마모성 코팅 및 초경의 성분으로 사용됩니다.

가장 내열성이 높은 물질 중 하나는 HfC로, 융점이 3890 °C입니다. 이 합금은 원자 가스상 보일러 구조 및 로켓 노즐 생산에 필수적입니다. 니켈 + HfB₂ 합금은 특히 내마모성이 강한 복합 코팅으로 사용됩니다. 80% TaC 및 20% HfC 합금은 융점 4216 °C로 가장 내열성이 높은 합금으로 간주됩니다.

기계공학. 하프늄 합금 티타늄은 선박 엔진 부품 제작에 사용됩니다. 니켈을 하프늄으로 합금하면 부식 저항성과 강도가 증가하고 용접선이 강화되며 용접성이 향상됩니다. 하프늄을 탄탈에 추가하면 복합 산화물 보호 필름이 형성되어 산화에 대한 내성이 크게 증가합니다. 이를 통해 로켓 산업을 위한 필수적인 합금(가스 노즐, 조향장치)이 개발되었습니다(최대 20% Hf 포함).

기타 응용 분야

하프늄은 테르븀 및 사마륨과 같은 희토류 원소와의 합금에서 초강력 영구 자석의 기초가 됩니다. 고유전율을 가진 HfO₂ 기반의 유전체는 마이크로 전자공학에서 고전적인 산화물 실리카를 대체하며, 이러한 변환은 정보 밀도를 크게 증가시킬 수 있습니다. 높은 유전 상수를 가진 유전체로도 알려져 있는 것은 하프늄 실리사이드입니다. 스칸듐과의 합금은 마이크로 전자공학에서 특별한 저항성 필름을 얻기 위해 사용됩니다.

GFI-1 합금의 성분 비율

미래의 응용 전망

Hf-178m2는 원자력 에너지의 부산물입니다(원자력 발전소의 소모된 하프늄 제어봉). 이 동위 원소는 반감기가 31년이며, 핵 방사에 의해 방출될 수 있는 과도한 에너지를 가지고 있습니다. 1g의 Hf-178m2에 포함된 에너지는 50kg의 TNT에 해당합니다. 이는 "펌프" 레이저 및 결함 검출기에서 감마선의 조절 가능한 소스로 사용할 수 있으며, 운송을 위한 대용량 에너지 소스로 사용하기에 적합합니다.

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