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Au début du vingtième siècle, Niels Bohr a calculé que le dernier métal de terre rare serait l'élément numéro 72, un analogue du zirconium. En 1923, D. de Hevesy et D. Koster ont pu découvrir dans des zircons groenlandais et norvégiens un nouvel élément possédant les propriétés prédites par Bohr. Il a été baptisé d'après le nom latin désuet de la ville de Copenhague - Hafnia... La production mondiale de hafnium est de 70 t par an, ce qui est proportionnel à la production de zirconium. Les gisements de hafnium les plus riches se trouvent en Afrique du Sud et en Australie. Le coût du hafnium pur à 99 % est d'environ 780 $ pour 1 kg.

Propriétés physiques

Le hafnium (Hf) est un métal lourd, réfractaire et blanc argenté. Il présente une structure cristalline hexagonale dense et un poids spécifique de 13,31 g/cm³. Valence +4, +3, +1, point d'ébullition = 4603 °C, point de fusion = 2233 °C. La section efficace de capture des neutrons thermiques est d'environ 100 barns, soit trois ordres de grandeur supérieurs à celle du zirconium (0,2 barns), ce qui signifie que le zirconium utilisé dans les réacteurs nucléaires ne doit pas contenir d'hafnium. L'isotope naturel ¹⁷⁴ Hf a une faible activité α avec une demi-vie de ^2x1015 ans.

Propriétés physiques

Utilisation

Dans l'ingénierie de l'énergie nucléaire. Sa capacité à capturer les neutrons détermine son utilisation sous forme de céramiques spéciales, de verre, de barres de régulation des réacteurs nucléaires (borure, oxyde, oxocarbure, hafnate de lithium, carbure, hafnate de dysprosium). L'alliage W-Hf-Ta est le meilleur pour alimenter les moteurs nucléaires en phase gazeuse.

En optique. En raison de leur résistance à la chaleur et de leur haut degré de réfraction, _HfF4 et _HfO2 sont utilisés dans la fabrication de miroirs multicouches et de miroirs astronomiques à rayons X, de filaments de fibres optiques et d'appareils de vision nocturne.

En radioélectronique. Le faible rendement en électrons permet de fabriquer des cathodes de canons à électrons puissants, des lampes radio et des électrogénérateurs thermioniques efficaces à partir de hafnium.

Dans le domaine de l'ingénierie électrique. Outre la résistance à la chaleur, le faible rendement en électrons permet d'utiliser le Hf dans la fabrication d'électrodes destinées au soudage dans l'argon, dans l'atmosphère de_CO2 de l'acier à faible teneur en carbone, où ce type d'électrodes s'est avéré presque quatre fois plus résistant que les électrodes en tungstène. Il convient également de noter l'effet économique élevé de l'utilisation de l'alliage Ta-Hf pour les électrodes d'oxycoupage et de découpage des métaux à l'air-plasma. L'alliage contient 77%Hf, 20%Ta, 2%W, 0,5% Ag, 0,1%Cs, 0,4%Cr - et comparé à l'hafnium pur, il a une durée de vie neuf fois plus longue.

Alliages

L'ajout de 1 % de Hf à l'aluminium donne un superalliage dont la taille des grains est de 40 à 50 nm. Il présente une résistance élevée au cisaillement, à la torsion et à la traction, ainsi qu'une meilleure résistance aux vibrations. L'alliage avec le Hf durcit considérablement divers alliages de cobalt qui sont demandés dans l'industrie du raffinage et la chimie industrielle. Le borure et le carbure de hafnium, dont le point de fusion est de 3250 °C, sont utilisés comme revêtements extrêmement résistants à l'usure et dans les alliages superdurs.

L'un des matériaux les plus réfractaires est le HfC, dont le point de fusion est de 3890 °C. Cet alliage est indispensable dans la construction de chaudières à gaz nucléaires et dans la production de tuyères de fusées. L'alliage nickel + _HfB2 est utilisé comme revêtement composite extrêmement résistant à l'usure. L'alliage composé de 80 % de TaC et de 20 % de HfC est considéré comme le plus réfractaire des alliages avec un point de fusion de 4216 °C.

Dans le domaine de l'ingénierie mécanique. Les alliages de titane alliés au hafnium sont utilisés dans la fabrication de pièces pour les moteurs marins. L'alliage de nickel au hafnium augmente la résistance à la corrosion et la solidité, renforce la soudure et améliore la soudabilité. L'ajout de Hf au tantale augmente considérablement la résistance à l'oxydation dans l'air en formant un film protecteur d'oxydes complexes sur la surface qui résiste très bien aux chocs thermiques. Cela a conduit au développement d'alliages aujourd'hui indispensables pour les missiles (tuyères de gaz, gouvernails qui contiennent jusqu'à 20 % de Hf).

Autres applications

L'hafnium allié à des éléments de terres rares tels que le terbium et le samarium est à la base des aimants permanents de grande puissance. Les matériaux hautement diélectriques à base de _HfO2 remplacent l'oxyde de silicium bien connu en microélectronique, ce qui permet d'obtenir une densité d'information beaucoup plus élevée. Le siliciure de hafnium est également connu comme un diélectrique à haute permittivité diélectrique. Les alliages de scandium sont utilisés en microélectronique pour produire des films résistifs aux propriétés exceptionnelles.

Composition en pourcentage de HFI-1

Utilisations prometteuses

Le Hf-178m2 est un sous-produit de l'industrie nucléaire (dans les centrales nucléaires, il absorbe les barres de hafnium usagées). Cet isotope, dont la demi-vie est de 31 ans, contient un excès d'énergie qui peut être libéré par l'irradiation du noyau. L'énergie contenue dans un gramme de Hf-178m2 équivaut à 50 kg de TNT, ce qui permet de l'utiliser comme énergie de "pompage" pour les lasers compacts et comme source de rayons gamma contrôlés, par exemple dans la défectoscopie, ou comme source d'énergie capacitive pour le transport.

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