Les applications diversifiées du métal hafnium

La majeure partie du hafnium produit est utilisée dans la fabrication de barres de commande pour les réacteurs nucléaires.[28]

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Normes :

Le hafnium a des applications techniques limitées en raison de plusieurs facteurs. Premièrement, il est très similaire au zirconium, un élément plus abondant et utilisable dans la plupart des cas. Deuxièmement, le hafnium pur n'était pas largement disponible avant la fin des années 1950, lorsqu'il est devenu un sous-produit du besoin de l'industrie nucléaire en zirconium sans hafnium.

Applications :

Réacteurs nucléaires

Les noyaux de plusieurs isotopes du hafnium peuvent chacun absorber plusieurs neutrons. Cela fait du hafnium un bon matériau pour les barres de commande des réacteurs nucléaires. Sa section efficace de capture de neutrons (Capture Resonance Integral Io ≈ 2000 barns)[59] est environ 600 fois celle du zirconium (les autres éléments qui sont de bons absorbeurs de neutrons pour les barres de contrôle sont le cadmium et le bore). D'excellentes propriétés mécaniques et des propriétés exceptionnelles de résistance à la corrosion permettent son utilisation dans l'environnement difficile des réacteurs à eau sous pression.[28] Le réacteur de recherche allemand FRM II utilise le hafnium comme absorbeur de neutrons.[60] Il est également courant dans les réacteurs militaires, en particulier dans les réacteurs des sous-marins navals américains, de ralentir des cadences de réacteur trop élevées.[61][62] On le trouve rarement dans les réacteurs civils, le premier cœur de la centrale atomique de Shippingport (une conversion d'un réacteur naval) étant une exception notable.

Alliages

La tuyère de fusée contenant du hafnium du module lunaire Apollo dans le coin inférieur droit

Le hafnium est utilisé dans les alliages avec le fer, le titane, le niobium, le tantale et d'autres métaux. Un alliage utilisé pour les tuyères des propulseurs de fusées liquides, par exemple, le moteur principal des modules lunaires Apollo, est le C103 qui se compose de 89 % de niobium, 10 % de hafnium et 1 % de titane.[64]

De petits ajouts d'hafnium augmentent l'adhérence des calamines d'oxyde protectrices sur les alliages à base de nickel. Il améliore ainsi la résistance à la corrosion, en particulier dans des conditions de température cycliques qui ont tendance à briser les calamines d'oxyde, en induisant des contraintes thermiques entre le matériau en vrac et la couche d'oxyde.[65][66][67]

Microprocesseurs

Les composés à base de hafnium sont utilisés dans les grilles des transistors comme isolants dans la génération 45 nm (et moins) de circuits intégrés d'Intel, IBM et autres.[68][69] Les composés à base d'oxyde de hafnium sont des diélectriques pratiques à haute k, permettant de réduire le courant de fuite de grille, ce qui améliore les performances à de telles échelles.[70][71][72]

Géochimie isotopique

In most geologic materials, zircon is the dominant host of hafnium (>10,000 ppm) et fait souvent l'objet d'études sur le hafnium en géologie.[77] L'hafnium se substitue facilement au réseau cristallin du zircon et est donc très résistant à la mobilité et à la contamination de l'hafnium. Le zircon présente également un rapport Lu/Hf extrêmement faible, ce qui rend minime toute correction du lutétium initial. Bien que le système Lu/Hf puisse être utilisé pour calculer un « âge modèle », c'est-à-dire le moment auquel il a été dérivé d'un réservoir isotopique donné tel que le manteau appauvri, ces « âges » n'ont pas la même signification géologique que d'autres. techniques géochronologiques car les résultats donnent souvent des mélanges isotopiques et fournissent ainsi un âge moyen du matériau dont il est issu.

Le grenat est un autre minéral qui contient des quantités appréciables de hafnium pour agir comme géochronomètre. Les rapports Lu/Hf élevés et variables trouvés dans le grenat le rendent utile pour dater les événements métamorphiques.

Autres utilisations

En raison de sa résistance à la chaleur et de son affinité pour l'oxygène et l'azote, le hafnium est un bon piégeur d'oxygène et d'azote dans les lampes à gaz et à incandescence. Le hafnium est également utilisé comme électrode dans le coupage au plasma en raison de sa capacité à libérer des électrons dans l'air.[79]

Le contenu énergétique élevé de 178 m2Hf était l'objet d'un programme financé par la DARPA aux États-Unis. Ce programme a finalement conclu que l’utilisation de l’isomère nucléaire 178m2Hf du hafnium mentionné ci-dessus pour construire des armes à haut rendement dotées de mécanismes de déclenchement par rayons X – une application de l’émission gamma induite – était irréalisable en raison de son coût. Voir la controverse sur le hafnium.

Les composés métallocènes d'hafnium peuvent être préparés à partir de tétrachlorure d'hafnium et de diverses espèces de ligands de type cyclopentadiène. Le métallocène d’hafnium le plus simple est peut-être le dichlorure d’hafnocène. Les métallocènes d'hafnium font partie d'une vaste collection de catalyseurs métallocènes de métaux de transition du groupe 4 [80] qui sont utilisés dans le monde entier dans la production de résines polyoléfiniques comme le polyéthylène et le polypropylène.

Un catalyseur pyridyl-amidohafnium peut être utilisé pour la polymérisation iso-sélective contrôlée du propylène qui peut ensuite être combiné avec du polyéthylène pour produire un plastique recyclé beaucoup plus résistant.

Le diséléniure d'hafnium est étudié en spintronique grâce à sa densité d'onde de charge et sa supraconductivité.