铪：耐热性用于火箭发动机

• 2023-03-19 20:08:00 来源：科普时报

(资料图片仅供参考)

铪，元素周期表第72号元素。

当镧系的14种元素几乎快被找齐的时候，人们纷纷开始猜测72号元素到底在哪里。很多科学家认为应该继续在稀土元素中进行分离。法国人乌尔班在1911年发表了一种新元素的光谱学数据，试图证明第72号元素与之前找到的镱和镥一样属于镧系元素。

1914年，在得知英国人莫塞莱发明了一种可测定元素原子序数的新式X射线放射技术后，乌尔班马上带上样品前往英国，但并没有找到任何证据证明是第72号元素。这期间，丹麦物理学家玻尔推测72号元素可能不属于稀土元素，而是和锆同一族。于是，匈牙利化学家乔治·德海韦西改变了寻找方向，将目光转向了含钛或锆的矿石，终于在对硅酸锆材料的X射线分析中发现了少量未知物质，最终证明这确实是一种新元素，将其命名为“铪”。

所有含锆的矿物中都含有铪，如铍锆石中含铪就高达15%，但并没有单独的铪矿石。铪主要在生产锆的过程中进行回收，价格比较贵。

早期锆铪工业建立时很大程度上是因为锆铪在军工方面的需求。一般用途中，锆材料含铪或铪材料含锆都不影响其性能，但在原子能工业中是个例外。铪的热中子俘获截面很大，因此锆往往被用来制作核燃料棒的套管材料，而铪则因为具有较高的中子截面、良好的耐蚀性、满意的焊接加工性能，即使价格比较贵仍会用来制作压水堆的控制棒。锆铪分离及金属制备非常复杂，技术难度很高。我国在20世纪50年代初开始将锆铪生产纳入发展纲要，70年代投产，现生产出的锆-4合金包壳管已达国际先进水平，成功应用到多座大型核电站的建设中。

由于耐热性，铪也会被添加到一些特殊用途的合金中，例如制作火箭发动机的喷嘴和重返大气层的飞行器前沿保护层的耐热合金。1998年，美国得克萨斯州大学教授发现了铪-178在辐射方面的特性，在α射线作用下激发态原子能释放出X射线和伽马射线，利用这一特性可以制作效率极高的核反应发动机，或更精准的辐射探测仪。

铪元素也出现在最新的Intel45纳米处理器中，它能减少厚度，持续改善晶体管效能。铪元素为基础制作的栅极电介质，取代二氧化硅制作的栅极电介质，能使处理器漏电量降低10倍以上，晶体管密度提升近两倍，减少耗电量近30%，让很多国家对铪有了不一样的认识。

（作者系武汉市第二十中学化学教师、武汉市科学家科普团成员）

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