Согласно исследованиям, проводимым национальной лабораторией Министерства энергетики в Соединенных Штатах, цирконий встречается в метеоритах, звездах-гигантах второго порядка, на Солнце и в лунных породах. В последних содержится удивительно большое количество металла — по предварительной оценке значительно превышающее запасы Земли.
В земной коре по разным данным содержание циркония составляет от 0,016% до 0,025% по массе. Основные источники металла — минералы бадделеит (простой оксид Zr) и циркон, которые добывают в РФ, Бразилии, США, Австралии, Южной Африке и Шри-Ланке. Возраст некоторых пород достигает 4,4 млрд лет.
История металла
Цирконий был впервые открыт в 1789 году немецким ученым Мартином Генрихом Клапротом — первооткрывателем еще двух химических элементов — титана и урана. Исследуя циркон, привезенный из Шри-Ланки, химик обнаружил в составе минерала 5% диоксида железа, 25% кремнезема и 75% ранее неизвестного металла, которому дал название «цирконорд». К сожалению, выделить химический элемент из руды Клапрот не смог. Чистый цирконий ученые смогли получить только в 1925 году. Два голландских химика (члены Королевской академии искусств и наук Нидерландов) Ян де Бур и Эдуард ван Аркель при нагревании тетерахлорида циркона с магнием выделили кристаллическую массу чистого Zr.
Применения циркония в современной промышленности
Цирконий — относительно новый материал, спрос на который непрерывно повышается. Существует большое количество областей исследований и разработок, связанных с цирконием и его производными: от тяжелой промышленности до повседневного применения.
- Ядерная энергетика. Циркониевые сплавы широко используются для производства конструкционных компонентов ядерных реакторов, в том числе напорных и направляющих трубок, топливных каналов и емкостей, решетчатых прокладок и прочего. Zr демонстрирует превосходную коррозионную стойкость и устойчивость к ползучести при облучении, а также низкое поглощение нейтронов. Легируется другими металлами, такими как олово, для улучшения механических и термических свойств.
- Производство огнеупоров. В этой отрасли ценится химическая инертность материала, устойчивость к коррозии и эрозии, высокая прочность и плохая растворимость в расплавленных металлах и кремнеземах.
- 3D-печать. Суспензии оксида циркония хорошо подходят для 3D-печати, в частности, для создания зубных протезов в точном соответствии с требуемыми формами.
- Полимерная промышленность. Частицы циркония используются в качестве составляющих эластомеров при изготовлении перчаток, обеспечивая прочности и гибкости материала, а также придавая ему антибактериальные свойства.
- Деревообработка. Применение акрилата циркония при производстве деревянных полов позволяет увеличить срок их службы, защитить от воздействия окружающей среды и усилить огнезащиту.
- Изготовление керамики. Добавление соединений циркония в керамические изделия, в частности плитные материалы, улучшает их физико-химические свойства. Эта отрасль потребляет примерно 54% добываемого циркония.
- Создание имплантов. Свойства оксида циркония идеально подходят для биомедицины, в частности, для производства имплантатов. Высокая вязкость и прочность позволяет использовать материал в качестве структурного заменителя костей, бедер и зубных частей.
- «Зеленая» энергетика. В солнечных батареях в качестве полупроводника обычно применяется диоксид титана, который для увеличения эффективности легируют цирконием.
- Производство бумаги. Для склеивания и окрашивания бумажных покрытий традиционно используется глиоксаль. Однако соединения циркония успешного ее заменяют, повышая при этом качество готовых изделий.
- Производство катализаторов. Благодаря своей универсальности и доступности, цирконий очень часто применяется при проведении разнообразных химических реакций (гидрогенизация, окисления, аминирование, изомеризация и пиролиз). Одно из новых направлений — улавливание и хранение углерода
- Создание искусственных алмазов. Кубический цирконий — оптически прозрачный монокристалл с высоким коэффициентом преломления. Не теряет свой цвет и блеск. Оттенок полудрагоценных камней зависит от легирующих добавок, используемых при производстве.
Одна из основных сфер применения циркония — производство усовершенствованной керамики для создания компонентов технологического оборудования, приборов или машин. Материал имеет более высокие физико-химические свойства, чем используемые для этих же целей металлы и полимеры. Цирконий довольно твердый, плохо проводит тепло и относительно инертный (не вступает в реакцию с другими элементами) — все это высоко ценится в передовой керамике. Оксид циркония может использоваться для производства тиглей для плавки металлов, газовых турбин, футеровки труб реактивных и ракетных двигателей, облицовки стен высокотемпературных печей.
