زیرکونیوم چیست و چه کاربردهایی دارد؟

در مقاله پیشِ رو توضیح می‌دهیم که زرگون یا زیرکونیوم چیست و با خواص و کاربردهای زیرکونیوم آشنا می‌شویم. همچنین توضیح می‌دهیم که چرا زیرکونیوم در حوزه انرژی هسته‌ای کاربرد و محبوبیت ویژه دارد.

زیرکونیوم چیست؟

زیرکونیوم (Zirconium) با نماد شیمیایی Zr و عدد اتمی ۴۰ از فلزهای واسطه در جدول تناوبی عناصر است. فلزهای واسطه عموماً مقاوم، چکش‌خوار و شکل‌پذیر هستند و به‌همین سبب در صنعت کاربرد زیادی دارند. نماد شیمیایی زیرکونیوم Zr است و به‌سبب مقاومت زیادش در برابر خوردگی و گرما ماده مهمی است. ایران از معدود کشورهای تولیدکننده زیرکونیوم در جهان است. در ادامه خواص و کاربردهای زیرکونیوم را بیشتر بررسی می‌کنیم. از زیرکونیوم آلیاژهای مختلفی می‌سازند که در صنعت هسته‌ای، هوافضا، محصولات سرامیکی و پزشکی به‌کار می‌روند.

زیرکونیوم از نظر فراوانی در پوسته زمین، در جایگاه بیستم است اما معمولا به‌شکل خالص در طبیعت وجود ندارد، بلکه از ماده معدنی زیرکون و به‌شکل سیلیکات استخراج می‌شود. در موارد نادر ممکن است زیرکونیوم به‌شکل اکسید معدنی بادلیت (baddeleyite oxide) نیز در طبیعت یافت شود.

ریشه لغت زیرکون و زیرکونیوم چیست؟

واژه «زیرکون» ریشه فارسی دارد و ریشه آن، کلمه «زَرگون» است.

خواص فیزیکی و شیمیایی زیرکونیوم چیست؟

زیرکونیوم به‌سبب بعضی از خواص فیزیکی و شیمیایی‌ خود ماده کم‌نظیری است. بعضی از خواص آن را در جدول زیر مشاهده می‌کنید.

جدول خواص فیزیکی و شیمیایی

ویژگی‌های‌ مهم زیرکونیوم چیست؟

زیرکونیوم چند ویژگی مهم دارد که سبب می‌شود در صنایع مختلف محبوب و پرکاربرد باشد:

• مقاومت در برابر خوردگی: زیرکونیوم اصطلاحا ضدزنگ است یعنی در برابر خوردگی مقاوم است.
• دمای ذوب بالا: زیرکونیوم می‌تواند گرمای شدید را تحمل کند.
• سطع مقطع نوترونی کوچک: در محیط‌های آکنده از نوترون (مثل راکتورهای هسته‌ای)، زیرکونیوم نوترون‌ بسیار کمی جذب می‌کند.
• استحکام زیاد نسبت به وزن: زیرکونیوم نسبت به وزنش استحکام زیادی دارد و چنین خاصیتی در صنایعی مثل هوافضا اهمیت دارد، زیرا هرچه وزن هواگرد کمتر باشد، انرژی کمتری مصرف می‌کند.
• سازگاری با بدن: زیرکونیوم سمی نیست و ضمنا در تماس با مایعات داخل بدن از بین نمی‌رود. به‌همین سبب در ساخت بعضی از ابزارهای پزشکی، روکش دندان و اندام‌های مصنوعی از زیرکونیوم استفاده می‌شود.
• چکش‌خواری و شکل‌پذیری: آلیاژهای زیرکونیوم چکش‌خوار و شکل‌پذیرند لذا می‌توان آنها را در شکل‌ها و سازه‌های پیچیده نیز به‌کار برد.

همین ویژگی‌های مهم سبب می‌شوند تا زیرکونیوم و مشتقات آن در بعضی از صنایع حساس از جمله در راکتورهای برق هسته‌ای و در صنایع هوافضا به کار رود. برای مثال غلاف میله‌های سوخت هسته‌ای را از آلیاژ زیرکونیوم می‌سازند.

کاربرد زیرکونیوم چیست؟

با بعضی از حوزه‌های کاربرد زیرکونیوم آشنا می‌شویم.

• انرژی هسته‌ای: زیرکونیوم نوترون کمی جذب می‌کند و در برابر گرمای شدید مقاوم است فلذا در حوزه انرژی هسته‌ای کاربرد دارد. پوشش میله‌های سوخت را که در داخل راکتور قرار می‌گیرند، از آلیاژ زیرکونیوم می‌سازند.
• هوافضا و صنایع دفاعی: در ساخت بعضی از قسمت‌های موتور جت هواپیما از آلیاژهای زیرکونیوم استفاده می‌شود تا گرمای شدید ناشی از فعالیت موتور را تاب بیاورد.
• فرآوری شیمیایی: در تاسیسات شیمیایی، پوشش بعضی از پمپ‌ها، شیرها و لوله‌های حاوی مواد اسیدی یا قلیایی را از زیرکونیوم می‌سازند زیرا زیرکونیوم در مجاورت این‌نوع مواد دچار خوردگی نمی‌شود.
• اندامهای مصنوعی و کاشتنی‌های پزشکی (ایمپلنت): آلیاژهای زیرکونیوم با بافت‌های زنده بدن انسان سازگار هستند. لذا در ساخت بعضی از کاشتنی‌ها (اصطلاحا ایمپلنت‌ها) مثل پیچ‌های جوش‌دهنده استخوان و اندام‌های مصنوعی از مشتقات زیرکونیوم استفاده می‌شود.
• صنعت سرامیک: دی‌اکسید زیرکونیوم یا همان زیرکونیا نوعی ماده سرامیکی سخت است که می‌تواند گرمای زیاد را تحمل کند. به‌همین سبب در محصولات سرامیکی مثل روکش دندان، ابزارهای برش و سرامیک‌های مقاوم در برابر حرارت برای کوره‌ها از زیرکونیوم نیز استفاده می‌شود.
• الکترونیک: در ساخت بعضی از قطعات الکترونیکی مثل خازن‌ها و مقاومت‌ها از ترکیبات زیرکونیوم استفاده می‌شود. همچنین اکسید زیرکونیوم را به‌شکل لایه عایق در دستگاه‌های الکترونیکی به‌کار می‌برند.
• صنایع کاغذ و بسته‌بندی: برای مثال ترکیبات زیرکونیوم چون در برابر آب مقاومت بسیار خوبی دارند و استحکام‌شان نیز زیاد است، به‌عنوان پوشش سطحی در صنایع کاغذ و بسته‌بندی به‌کار می‌روند.

باید توجه کنیم که زیرکونیوم را نباید با زیرکونیای مکعبی (cubic zirconia) اشتباه گرفت. زیرکونیا مکعبی نوعی سنگ زینتی و نسبتا قیمتی است که گاهی به آن الماس مصنوعی نیز می‌گویند. درباره این مواد کمی بعدتر در همین مقاله توضیح می‌دهیم.

علت استفاده از زیرکونیوم در نیروگاه‌های هسته‌ای چیست؟

زیرکونیوم نوترون بسیار کمی جذب می‌کند، دمای ذوب بالایی دارد و در مجاورت رطوبت اصطلاحا رنگ نمی‌زند. به‌همین سبب میله‌های سوخت راکتورهای هسته‌ای را با لایه زیرکونیوم می‌پوشانند.

داخل راکتور هسته‌ای دمای آب تا ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد افزایش می‌یابد. اما زیرکونیوم در دمای ۱۸۵۵ درجه سانتی‌گراد ذوب می‌شود فلذا برای ساخت میله‌های سوخت نیروگاه‌های هسته‌ای بسیار مناسب است. در دهه ۱۹۹۰ میلادی حدود ۹۰ درصد زیرکونیوم تولیدی در سال در صنعت هسته‌ای به‌کار می‌رفت، اما کادربردهایش در حوزه‌های دیگر نیز تدریجا افزایش یافت.

زیرکونیوم چگونه تهیه می‌شود؟

زیرکونیوم معمولا در طبیعت به‌شکل خالص وجود ندارد، بلکه عمدتا از ماده معدنی سیلیکات زیرکونیوم (ZrSiO_۴) یا همان زیرکون به‌دست می‌آید که نوعی کانی طبیعی در ماسه‌های معدنی است.

زیرکون پس از استخراج و تولید کنستانتره معدنی سنگین، به‌شکل ماسه زیرکون جدا می‌شود و گاهی مستقیما در محصولات خاص (مثل ماسه‌های ریخته‌گری) به‌کار می‌رود.

بیش از ۲۰۰۰ سال است که بشر از ماسه‌های کنار رودخانه‌ها زیرکون استخراج می‌کند. البته نیاکان ما بلورهای معدنی زیرکون را عمدتا به‌سبب جذابیتش استخراج می‌کردند و از آنها سنگ‌های قیمتی می‌تراشیدند. امروزه زیرکون را عمدتا از رسوبات معدنی ساحلی یا آبرفتی به‌دست می‌آورند. اغلب وقتی معادن ایلمنیت و روتیل را برای پیدا کردن تیتانیوم می‌کاوند، مقداری زیرکون نیز همراه‌شان استخراج می‌شود.

بیشتر زیرکون‌های طبیعی مرغوب که گوهرسنگ محسوب می‌شوند، زرد یا قرمز یا قهوه‌ای هستند. با استفاده از گرمایش و تابش می‌توان زیرکون‌ بی‌رنگ، آبی، سبز یا رنگ‌های دیگر به‌دست آورد.

اسفنج زیرکونیوم چیست؟

با تزریق گاز به زیرکونیوم یا مخلوط کردن عامل کَف‌ساز با زیرکونیوم مذاب، اسفنج زیرکونیوم به‌دست می‌آید. اسفنج زیرکونیوم ساختار سلولی دارد، یعنی منافذ یا حفره‌های ریزی دارد که سبب می‌شوند در مقایسه با زیرکونیوم خالص، حجیم‌تر باشد. بعضی از خواص اسفنج زیرکونیوم چنین است:

• چگالی کمتر (در مقایسه با زیرکونیوم خالص)
• سفتی زیاد
• جذب انرژی زیاد
• هدایت گرمایی کم
• نفوذپذیری مغناطیسی کم
• مقاوم در برابر آتش
• میراندن صدا (یعنی از امواج صوتی را جذب و از انعکاس آن جلوگیری می‌کند.)

اسفنج‌ زیرکونیوم در حوزه‌های مختلف از جمله در مبدل‌های حرارتی و تجهیزات نوری سبک به‌کار می‌رود. کاربرد اصلی اسفنج زیرکونیوم در صنایع هسته‌ای (بویژه در روکش میله‌های سوخت) است.

ترکیبات و مشتقات زیرکونیوم

زیرکونیوم ترکیبات و مشتقات زیادی دارد که بعضی از آنها مثل زیرکون و زیرکونیا از جهاتی مهمتر هستند. اما تفاوت آنها چیست؟

تفاوت زیرکونیوم با زیرکون و زیرکونیا چیست؟

هر سه ماده مذکور گرچه هم‌ریشه هستند، از نظر شیمیایی با هم تفاوت دارند. زیرکونیوم (zirconium) عنصر شیمیایی خالص است. اما زیرکون (zircon) و زیرکونیا (zirconia) از ترکیبات زیرکونیوم هستند.

• زیرکونیوم (Zr): عنصر شیمیایی خالص با عدد اتمی ۴۰ است، اما معمولا به‌شکل خالص در طبیعت وجود ندارد.
• زیرکون یا سیلیکات زیرکونیوم (ZrSiO_۴): ماده‌ای معدنی است که عنصر زیرکونیوم عمدتاً از آن استخراج می‌شود. بعضی از بلورهای معدنی زیرکون به‌سبب درخشش و رنگ‌‌شان کاربرد تزیینی نیز دارند و سنگ نیمه‌قیمتی محسوب می‌شوند.
• زیرکونیا یا دی‌اکسید (ZrO_۲): ماده اولیه بعضی از سرامیک‌هایی است که کاربرد فنی دارند. چنین سرامیک‌هایی بسیار سخت هستند و در مقابل فرسایش مقاومند. زیرکونیا را می‌توان به‌شکل بلور شفاف و بسیار سخت مثل الماس نیز درآورد که به زیرکونیای مکعبی (cubic zirconia) معروف است و به آن الماس مصنوعی نیز می‌گویند و البته از الماس ارزانتر است.

آلیاژهای زیرکونیوم

به ترکیب فلز با فلز یا ماده دیگر، آلیاژ می‌گویند. زیرکونیوم نیز آلیاژهای گوناگون دارد. در ادامه، بعضی از آلیاژهای رایج زیرکونیوم را معرفی و به ویژگی‌ها و کاربردهای‌شان اشاره می‌کنیم.

زیرکونیوم-هافنیوم (Zr-Hf)

• ترکیبات: معمولا حدود ۱ تا ۳ درصد وزن آن، هافنیوم و باقی زیرکونیوم است
• ویژگی‌‌ها: هافنیوم نقطه ذوب بالایی دارد و به افزایش بیش از پیش نقطه ذوب آلیاژ زیرکونیوم کمک می‌کند. زیرکونیوم-هافنیوم آلیاژی قوی است و حتی در دمای زیاد نیز ویژگی‌های مکانیکی خوبی دارد.
• کاربردها: غلاف میله‌های سوخت راکتورهای هسته‌‌ای و جاهای دیگری که در آنها مقاومت در برابر گرما و خوردگی مهم است.

زیرکونیوم-نیوبیوم (Zr-Nb)

• ترکیبات: معمولا تا ۳۰ درصد وزن آن نیوبیوم و مابقی زیرکونیوم است
• ویژگی‌ها: آلیاژ زیرکونیوم-نیوبیوم در مقایسه با زیرکونیوم خالص ویژگی‌های مکانیکی بهتری دارد و برای مثال، استحکام و سختی آن بیشتر است. ضمنا در برابر خوردگی بویژه در محیط‌های اسیدی و قلیایی بسیار مقاومت است. نیوبیوم خاصیت چکش‌خواری آلیاژ را بهبود و سطح مقطع جذب هیدروژن را کاهش می‌دهد.
• کاربردها: فرآوری مواد شیمیایی، کاشتنی‌ها (ایمپلنت‌ها) و اندام‌های مصنوعی

زیرکونیوم-تیتانیوم (Zr-Ti)

• ترکیبات: تا ۱۰ درصد وزن آن، تیتانیوم و مابقی زیرکونیوم است.
• ویژگی‌ها: آلیاژهای زیرکونیوم-تیتانیوم در مقایسه با زیرکونیوم خالص، استحکام و پایداری بیشتری دارند و ضمنا در برابر خوردگی و اکسیداسیون مقاوم‌تر هستند. آلیاژ زیرکونیوم-تیتانیوم در گرمای شدید و نیز در محیط‌های شیمیایی تهاجمی عملکرد مقاوم است.
• کاربردها: صنعت هوافضا، مهندسی قطعات های-پرفورمنس، تجهیزات فرآوری شیمیایی که قدرت و مقاومت در برابر خوردگی اهمیت دارد.

زیرکونیوم-مولیبدنیوم (Zr-Mo)

• ترکیبات: اغلب ۱۰ تا ۲۰ درصد وزن آن، مولیبدنیوم و مابقی زیرکونیوم است.
• ویژگی‌ها: مولیبدنیوم در برابر گرمای شدید استحکام و پایداری خود را حفظ می‌کند. زیرکونیوم نیز همانطور که گفتیم ضدخوردگی است. بنابراین، آلیاژ زیرکونیوم-مولیبدنیوم با تلفیق هر دو خاصیت مهم فوق، در محیط‌های ناپایدار عملکردی عالی از خود نشان می‌دهد.
• کاربردها: هوافضا، استفاده در محیط‌هایی که در آنها استحکام و مقاومت در برابر خوردگی اهمیت دارد.

ایزوتوپ‌های زیرکونیوم

زیرکونیوم یازده ایزوتوپ طبیعی دارد که از میان آنها پنج ایزوتوپ پایدار و بقیه ایزوتوپ ناپایدار و درنتیجه پرتوزا هستند.

جمع‌بندی: زیرکونیوم چیست و چه خواص و کاربردی دارد؟

گفتیم زیرکونیوم عنصری شیمیایی با عدد اتمی ۴۰ و رنگ نقره‌ای‌خاکستری است که در صنایع مختلف از جمله در صنعت هسته‌ای، هوافضا، سرامیک و حتی در جواهرسازی کاربرد دارد. استحکام و سختی، شکل‌پذیری، مقاومت در برابر گرمای شدید و خوردگی و نیز سطح مقطع نوترونی کم از ویژگی‌های مهم زیرکانیوم است و به‌همین سبب پوشش میله‌های سوخت در راکتورهای هسته‌ای را از ترکیبات زیرکونیوم می‌سازند تا در برابر گرمای شدید راکتور و نیز در تماس با آب داخل راکتور زنگ نزند و دچار خوردگی نشود. همچنین توضیح دادیم که زیرکونیوم معمولا به‌شکل خالص در طبیعت وجود ندارد، بلکه عمدتا از ماده معدنی زیرکون استخراج می‌شود که به آن سیلیکات زیرکونیوم نیز می‌گویند. یکی از مشتقات مهم زیرکونیوم در صنعت سرامیک‌سازی، دی‌اکسید زیرکونیوم یا همان زیرکونیا با فرمول شیمیایی ZrSiO_۴ است. زیرکونیوم آلیاژهای مختلفی دارد که آلیاژ زیرکونیوم-هافنیوم و آلیاژ زیرکونیوم-تیتانیوم از جمله‌ هستند.