什么是锆金属：特性和用途
锆金属是元素周期表中最为重要且不可替代的金属之一，其化学和物理性质十分独特，因此锆金属及其合金和化合物是核能、生物医学、高温材料等行业不可或缺的一部分。
锆是金属吗？
是的，锆是金属。金属通常具有高电导率和热导率、延展性、可锻性和光泽外观等特性。锆作为金属满足这些特性标准。此外，它位于元素周期表中的“过渡金属”组中。
什么是锆金属？
锆金属在元素周期表中的原子序数为 40。纯锆呈银灰色，而锆合金则有多种颜色。锆对中子的吸收率极低，是核应用的理想选择。锆熔点高，耐腐蚀性强，可用于各种行业。
关于锆金属的常见误解
由于缺乏知识和一些误解，人们对锆金属抱有某些误解。让我们在这里澄清 4 个误解：
误解 1：锆与锆石相同
人们经常将“锆”和“锆石”混淆，但两者有很大不同。锆石是指锆的非金属化合物，可用于珠宝和隔热涂层。与此相反，超过 90% 的锆金属仅用于核工业，与锆石的应用无关。锆石和锆的外观不同。锆石价格低廉，而纯锆每公吨的价格约为 30000 美元。
误解二：锆是稀有元素
锆是 15th 地壳中最丰富的元素，并不稀有，可能因为锆金属用于先进高科技产业，一般人对它不太熟悉。
误解三：锆的强度与钢一样
钢比锆强得多。在常见的结构应用中，钢随处可见，但锆却不常见。锆金属的优异性能而非强度使其适合用于核燃料芯块包层等结构应用。
误解四：锆是金属还是陶瓷？
锆是金属，氧化锆是陶瓷。也许因为词语上的相似性，人们会混淆这两者。
锆的物理和化学性质
下表重点介绍了一些关键的锆金属特性：
特性
价值观
外观
银灰色，有光泽
密度
6.52克/厘米3
熔点
1855℃，
沸点
4409℃，
抗拉强度
330-680兆帕
电导率
2.4 × 10⁶ 标准/米
导热系数
22.7 W / m·K
耐腐蚀性
优异
可延展性
高
主要物理特性：
强度：
锆金属具有中等强度，适合某些结构应用，如核燃料包层或生物医学植入物。某些合金元素可以大大提高强度。
密度：
锆金属的密度为 6.52 g/cm³，低于钢，但远高于钛和铝。
熔点
熔点为1855 o C 比大多数金属都高，这使得锆适合高温应用。
化学性质：
反应
锆金属具有很强的抗氧化性，但在高温下会与强酸和卤素发生反应。高温与蒸汽的反应曾导致核电站发生氢气爆炸，这是一个值得关注的问题。
耐腐蚀性
锆金属在酸性、碱性和海水环境中具有耐腐蚀性。
稳定性
它在高温和恶劣的化学环境中高度稳定，使其成为某些应用的独特选择。
锆与其他金属的比较
相比之下，锆在强度或密度方面似乎并不比钛、钢或铝等常见金属更胜一筹。然而，锆金属的耐腐蚀性、中子吸收性、化学和热稳定性以及生物相容性等特性使其成为某些应用的理想选择。
氧化锆与钛相似吗？ -钛与氧化锆
锆和钛之间有一些共同点，例如生物相容性、耐腐蚀性和 HCP 晶体结构。然而，这两种金属的应用却截然不同。
锆与钢的比较
锆和钢彼此非常不同。这两种金属的应用范围非常不同。例如，钢的中子吸收率比锆高出许多倍。锆合金具有生物相容性，而钢则不具有。
锆金属的生产
根据用途，可生产不同等级的锆金属。例如，商业级锆金属要求的纯度低于核级锆金属。不同等级锆金属的生产方法和步骤也不同。
如何提取锆？
商业上，锆金属采用克罗尔法提取。锆石（ZrSiO4) 矿石在 1000 ℃ 下反应oC与氯气：
氧化锆4 + 2氯2+2C→氯化锆4 + 二氧化硅2+ 2二氧化碳
形成四氯化锆（ZrCl4四氯化锆与镁金属在高温下反应生成锆金属：
氯化锆4 + 2Mg → 锆 + 2MgCl2
锆精炼工艺
采用液-液溶剂萃取法优先溶解锆金属，留下在核应用中不理想的铪。甲基异丁基酮 (MIBK) 或磷酸三丁酯 (TBP) 用作溶解溶剂。
锆生产的挑战与创新
锆金属生产面临着诸多挑战，例如成本高昂的铪分离、高能耗和环境问题。电化学还原、新型净化方法和回收方面的创新将提高效率。
锆合金：种类及其应用
某些合金元素被添加到锆金属熔体中以形成固溶体，从而增强某些物理或机械性能。例如，纯锆的强度可能不适合用于包覆应用，但添加铌可以提高强度。
什么是锆合金？
在锆金属的晶格中添加某些化学元素称为锆合金。下表显示了一些常见的合金：
合金
密度g /cm³
拉伸强度（MPa）
耐腐蚀性
应用
Ti 17 级 (UNS R58640)
4.64
1100-1200
高温环境下表现优异
航空航天、燃气轮机、船舶
Ti 19 级 (UNS R58240)
4.75
1150-1250
耐腐蚀、耐磨性能好
航空航天、生物医学、结构
锆-2.5铌
6.55
400-600
耐酸性和高温性优异
核反应堆、热交换器
锆合金（Zr-4、Zr-2）
6.56
500-750
在核环境中表现出色
核燃料包壳、反应堆
其他含锆金属合金
17 级钛合金 (Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr)UNS R58640
17 级钛合金是一种高强度、耐腐蚀合金，用于航空航天、燃气轮机和海洋应用。
钛19级（Ti 3Al 8V 6Cr 4Mo 4Zr）合金UNS R58240
与 17 级类似，19 级也是一种高强度等级，用于航空航天、生物医学和结构应用。
Zr元素在其他合金中的作用
钛中添加Zr可以提高合金的耐腐蚀性、抗蠕变性和整体强度。
常见锆合金及其性能
锆-2.5%铌（Zr-2.5Nb）：
这是一种用于核应用的牌号。铌通过增强微观结构来稳定高温性能。它提高了强度、耐腐蚀性和抗蠕变性。
锆合金（Zr-4 和 Zr-2）
镍可提高耐腐蚀性、强度和热稳定性。Zr-2 是一种含镍牌号。它适用于沸水反应堆。而在 Zr-4 中，镍被去除以提高压水反应堆的性能。
锆合金在高性能工业中的应用
锆合金具有独特的性能，适合用于高性能工业。低中子吸收率使其成为核燃料芯块包覆材料的理想选择。生物相容性使锆合金适合用于医疗植入物。高抗蠕变性和高熔点使锆合金可用于航空航天和推进系统。
锆的环境和安全注意事项
尽管锆的提取被认为是从重砂中提取钛的副产品，但仍存在与锆提取特别相关的环境和安全考虑。总体而言，锆金属不会造成任何重大风险。只需牢记一些预防措施。
锆在制造和处理过程中的安全性
锆金属无毒且具有生物相容性，因此不会对人类健康和安全构成风险。然而，锆细粉吸入体内会引起呼吸问题。这些细粉还会产生火花。因此，应妥善处理锆细粉。
锆矿开采和回收对环境的影响
锆矿开采和提炼会造成土地退化、能源浪费和碳排放。回收成本只是环境和财务成本的一小部分。因此，应尽最大努力通过回收来节约资源。
总结
锆金属具有其独特的性能。例如，它的中子吸收行为是大多数商业金属和合金无法比拟的。锆合金的高温性能也非常出色。因此，锆在核工业和一些高温应用中是不可替代的。
常见问题
锆合金如何用于医疗应用？
锆合金具有很高的耐腐蚀性和生物相容性，可用于医疗和牙科植入物。
锆与钛相比如何？
钛在某些应用领域与锆相当。然而，锆的一些性能却远优于钛。
锆金属处理起来安全吗？
可以，因为锆粉无毒且具有生物相容性。但是，锆粉可能会着火。