锆及其化合物的应用
林振汉
【摘 要】锆及其化合物作为新能源、新材料,具有相当重要的意义。锆合金优异的核性能,成为核燃料包壳管的首选材料;氧氯化锆是生产金属锆、氧化锆和其他锆化合物的中间产品;氧化锆具有增韧的特性,极好的力学性能,是结构陶瓷的最好材料。 【期刊名称】《世界有金属》
【年(卷),期】2011(000)007
naieve【总页数】2页(P68-69)
【关键词】锆化合物;锆合金;应用;力学性能;新材料;氧氯化锆;中间产品;结构陶瓷
【作 者】林振汉
【作者单位】上海大学锆材料研究中心
【正文语种】中 文禁书
【中图分类】TG146.414
锆及其化合物作为新能源、新材料，具有相当重要的意义。锆合金优异的核性能，成为核燃料包壳管的首选材料；氧氯化锆是生产金属锆、氧化锆和其他锆化合物的中间产品；氧化锆具有增韧的特性，极好的力学性能，是结构陶瓷的最好材料。
锆英砂是与钛铁矿、独居石伴生在一起的一种天然砂矿。天然锆由几个同位素组成，均是非放射性的40Zr96，是β辐射体。在天然锆混合物中占2.8%。但它的半衰期：T=6.2×1016年，比U238 的半衰期要长1千万倍以上，以至于40Zr96β衰变时产生的γ辐射在矿物条件下，微弱到无法探测，因此锆英砂本身是没有放射性的。
由于选矿的原因，在锆英石中含有一定的独居石（磷酸钍），所以使锆英石中含有放射性，影响了锆英砂的质量和名声。
国外锆英石主要分布在澳大利亚、南非、美国、巴西、印度、东南亚等国。其中，澳大利亚占70%左右。国内锆英石主要分布在海南、广东、广西等地。相比之下，我国的锆英砂
是短缺的，大量的锆英砂从国外进口，主要是从澳大利亚和南非进口。
锆及其化合物的主要应用范围
由于锆具有极优良的性能，所以它是重要的应用和发展的新材料。
1．锆的核性质
锆和铪的物理性能原子-性能差异很大，锆捕获中子的截面积为0.18 巴，而铪捕获中子的截面积为115 巴。锆合金的热中子吸收截面小，导热率高，机械性能好，具有良好的加工性；它与核燃料（UO2）有优良的相容性和优异的耐蚀性，因此被应用于核燃料的包壳、格架、端塞和其他堆芯材料。核反应堆是利用核裂变过程中释放出来的巨大的能量，通过核电设备最终转化成电能。在反应过程中存在大量的辐射，具有很强的危害性，因此，核安全就成为发展核电需要解决的首要的任务。 生藤
在众多的核材料中，锆合金优异的核性能，成为核燃料包壳管的首选材料。但是，锆合金在反应堆内不断受中子的辐射，力学性能会发生变化，强度升高，延性降低、变脆，以及辐照伸长和扭曲变形，产生蠕变和内应力等，使其综合能力变差。因此，包壳材料是一种
高耗材料，在核电中需要进行周期更换，每年要更换三分之一，其用量是相当大的。资料和国际核电建设的实践表明，每1 万千瓦核电首炉装机容量需锆材0.3～0.35 吨，如按50%成材率计算，需核级海绵锆0.6～0.7 吨，每年换材按每1 万千瓦用0.1～0.12 吨计算，折合成海绵锆0.2～0.25吨，1 座百万千瓦级反应堆则需海绵锆60～70 吨、换材需要20～25 吨。总需80～95 吨海绵锆。
我国核电如果按2020 年4000 万千瓦计，需海绵锆3600 吨。按7000 万千瓦计，那么需海绵锆6300 吨。可见，锆和铪是反应堆应用的不可缺的重要的关键材料；而且是高耗材料。铪则是优异的核反应堆控制材料，特别是核航母、核潜艇反应堆控制棒。
我国的海绵锆现在全部是靠进口的，国内还没有一家生产海绵锆。国外核电先进国家，都有配套的海绵锆和锆管加工系统。
2．氧氯化锆
核发电站的燃料棒
氧氯化锆是生产金属锆、氧化锆和其他锆化合物的中间产品。我国生产的氧氯化锆主要是
出口。原因很简单，由于氧氯化锆生产是属于高耗能、污染严重、低价值的化工过程，所以国外从上世纪80年代开始，这种产品的生产就停止了。我国上世纪锆工业刚起步，为我国锆的发展提供了一个机遇，我国锆的生产非常强劲地发展。上世纪80 年代后，我国成为世界上最强盛的氧氯化锆的生产国，90%以上的氧氯化锆是来自中国。由于利益的驱动，互相竞争，使我国的氧氯化锆的产品趋于低价格水平的状况。而锆英砂决定了氧氯化锆的前途，最近由于锆英砂的涨价和短缺，使很多的锆企业面临停产或减产状况。
氧氯化锆是生产和加工其他锆产品的基础原料，国外进口氧氯化锆去加工系列的高价值锆产品，包括核锆。反过来，他们以高几十倍的价值还销给中国。比如，稳定氧化锆、海绵锆等。而硫酸锆、碳酸锆、醋酸锆、电熔锆等污染环境、高耗能的产品他们不生产，仍然由中国生产，但价值都不高。
3．氧化锆学会看病教学设计
氧化锆的特性：多相晶型结构（单斜、四方、立方），又是可逆的转变，这是氧化锆作为新材料发展和应用的依据。
四方氧化锆具有增韧的特性，极好的力学性能，因此是结构陶瓷的最好材料。主要应用于发动机和内燃机的零部件、泵、轴承、密封圈、电子管、光纤连接插头、生物陶瓷髋关节、牙齿陶瓷、磨介、引擎部件、纺织螺丝导杆、印刷机的盖和帽、模铸挤压、刀片、剪刀、切削工具以及军事上用作制造防弹盔甲等。
部分稳定氧化锆用于制造狄索尔发动机零件，内燃机零件，是一种有效的节能发动机。美国绝热发动机计划的目标是取消水冷系统，对燃烧室绝热，利用排出的热能，提高热效率，以及减少发动机重量。在绝热内燃机中，韧性氧化锆还可用做汽缸内衬、活塞顶、气门导管、进气和排气阀座、轴承、挺杆、凸轮、凸轮随动件和活塞环等零件。陶瓷绝热内燃机的热效率已达到48%（普通内燃机为30%）。陶瓷绝热内燃机省去了散热器、水泵、冷却管等360个零件，质量减少191kg，增韧陶瓷在转缸式发动机中用做转子。日本、美国、德国等一些技术发达国家用韧性氧化锆制作发动机；同时，还用其制造计算机驱动组件、密封件、航空发动机的散热叶片等。
立方氧化锆具有氧离子传导的特性，是四大氧离子导体中最好的材料。主要用作固体氧化物燃料电介质、氧传感器、WHD 电极、过滤器，转换器，谐振器等的蜂鸣器、工业和汽车排气用的催化剂等。
纯氧化锆的相结构是不稳定的，当在纯氧化锆中添加碱金属氧化物、碱土金属氧化物或稀土金属氧化物时形成固溶体之后，就能起着稳定氧化锆的相结构作用，显示出氧化锆的特殊性能，发挥氧化锆的作用。添加的数量取决于要制备的氧化锆相结构的类型。
产品 应用硅酸锆锆英粉陶瓷砖中遮光剂，乳浊剂\卫生洁具制品和板制品；耐熔钢玻璃；铸造（熔模铸造法）；TV 玻璃；生产Zr 化学制品；制备Zr（Hf）金属。氧氯化锆制备其他Zr 化学制品；氧化钛涂料；止汗药；油田耐酸药剂。硫酸锆 制备其他锆化学制品；氧化钛涂料；皮革鞣软剂。碳酸锆 涂料干燥剂；止汗药；催化作用。醋酸锆 在纺织（纸）中防水；催化剂产品（生产）。氧化锆 耐火材料；陶瓷颜料；研磨；电极；氧传感器；氧化锆晶体；催化剂。
其他类型的锆化合物的应用领域见表所列。
随机数的产生锆材料发展前景
锆及其化合物作为新能源、新材料，具有相当重要的意义。要使锆及其化合物持续地发展，除了在生产中应进行改革外，更重要的是开发具有高价值的新产品，从原料的处理到产品的加工都应自主，提高产品的质量，增加产品品种。
稳定氧化锆是发展的一个重要的材料，作为结构陶瓷和能源材料，近年来发展非常快，因为它能耐高温、耐腐蚀、耐磨；又非常稳定，特别在氧化性气氛下，其不受应用的影响。
燃料电池是在等温条件下将燃料中的化学能直接转化为电能的能量转换装置。由于能量转换过程不经过燃烧步骤（依靠氧离子传导），不受卡诺循环的限制。燃料电池的能量利用效率比传统热机原理显著提高。从节约能源和保护生态环境出发，燃料电池是最有发展前途的发电技术。固体氧化物燃料电池（SOFC）有高的能量转化效率（电效率达70%～80%）、洁净的能源利用方式、简单的系统装置、噪声低、良好的应用环境、燃料适用性强、过负载能力强、无腐蚀性和寿命长、成本低、全固态、模块化组装、节能减排、零污染等优点，被认为是21 世纪的绿能源，代表着未来新能源系统的发展趋势。物理老师演示电流
锆应用于发电、热电联供、交通、空间宇航和居民小区小型电站等许多领域，在民用领域有广阔的应用前景，并可在供电设施被毁时可提供应急的持续性供电，同时还可作为潜艇的动力、船舶服务电源及装甲车辅助供应电源等军用电源。这些都为锆作为功能材料提供发展的契机。
中国核电发展的春天已经到来。如今，秦山核电二期扩建工程、广东岭澳核电二期、辽宁
红沿河、福建宁德等4 座核电站的主体工程已经正式开工建设；福建福清、广东阳江、浙江三门、山东海阳、浙江方家山、广东台山、江苏田湾二期等7 座核电站先后开工建设。
目前，海南昌江核电项目已具备浇筑第一罐混凝土条件；浙江龙游、辽宁徐大堡、江西吉安项目进入国家核电规划。我国将建设全球首座第三代核电站，成为AP1000领先者。AP1000 技术是中国引进的第三代核电技术。目前，4 台AP1000 核电机组，分别落户浙江三门和山东海阳。5 年后，三门有望成为全球最大的第三代核电基地。现在开始建设的三门健跳核电厂址规划是6 台机组，之后还会在相近的扩塘山厂址再建设6 台AP1000 核电机组。湖南桃花江核电项目正在按照AP1000 技术路线积极开展前期准备工作。
