一、背景

鋯（Zr）的命名源于鋯石，鋯石則來(lái)源于波斯語(yǔ)“金色(zargun)”，早在幾個(gè)世紀(jì)前，鋯石已經(jīng)被人類用作珠寶。鋯石在圣經(jīng)中也有被提及，稱其是以色列大祭司佩戴的12種寶石之一。而后，在化學(xué)家馬丁提純鋯的氧化物時(shí)，鋯元素被正式命名。

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)材料已經(jīng)很難滿足當(dāng)下日益嚴(yán)苛的工業(yè)服役條件，新型高性能材料的研發(fā)勢(shì)在必行。由此，鋯及鋯合金在近年來(lái)備受關(guān)注。

鑒于鋯及鋯合金具有密度低，比強(qiáng)高，耐腐蝕，耐輻照，優(yōu)良的耐磨性，加工性能優(yōu)異，無(wú)毒，無(wú)磁，熱中子吸收截面小等一系列特點(diǎn)，鋯合金優(yōu)先在核工業(yè)中得到了不可替代的應(yīng)用，因此世界各國(guó)都十分重視鋯合金的研究開(kāi)發(fā)工作。如今，隨著對(duì)鋯合金的研究趨于成熟，鋯及其合金在航空航天、海洋工程、化工行業(yè)、醫(yī)用行業(yè)及一些特殊領(lǐng)域中也得到廣泛應(yīng)用。作為重要的戰(zhàn)略性材料，鋯被譽(yù)為“原子時(shí)代第一金屬”、世界第三代的優(yōu)良特種耐蝕材料。

由于其冶煉提純的工藝復(fù)雜苛刻、科技含量高，鋯被視作稀有金屬，是這也是其貴重的主要原因。與同族元素鈦相比，鋯更加具備驚人的抗腐蝕性能、極高的熔點(diǎn)、超高的硬度和強(qiáng)度等特性。雖然諸多鈦合金產(chǎn)品已被大家熟知，但鈦產(chǎn)品的抗腐蝕性能遠(yuǎn)不如鋯合金產(chǎn)品。所以，鋯是名至實(shí)歸的核能金屬、太空金屬、不朽金屬、人體親和金屬。

·新型高強(qiáng)韌鋯合金

高強(qiáng)韌輕質(zhì)鋯合金可分為晶態(tài)鋯合金與非晶態(tài)鋯合金。

晶態(tài)鋯合金按其相組成通常可分為α型鋯合金、α+β型鋯合金和β型鋯合金。從力學(xué)性能的角度出發(fā)，α型鋯合金具有較高的強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度可達(dá)1600MPa以上）與硬度，其耐摩擦磨損性能優(yōu)于鈦合金，經(jīng)表面處理后其耐磨性提升明顯；α+β型鋯合金同時(shí)存在兩種不同晶體結(jié)構(gòu)的相，具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能；β型鋯合金滑移系較多，具有較高的塑性（斷后延伸率可達(dá)30%）。

非晶態(tài)鋯合金其固態(tài)物質(zhì)原子的排列所具有的近程有序、長(zhǎng)程無(wú)序的狀態(tài)，是一種典型的亞穩(wěn)態(tài)，故此非晶材料也被稱為金屬玻璃或液態(tài)金屬。鋯基非晶合金的硬度在60HRC以上（比不銹鋼高20%以上），具備超高的強(qiáng)度、耐磨性，遠(yuǎn)超合金鋼（例如：比強(qiáng)度是20CrMnTi合金鋼的2.4倍），且密度比合金鋼降低30%以上，無(wú)需進(jìn)行表面處理即擁有光潔的表面，但有臨界尺寸的限制。

無(wú)論是晶態(tài)鋯合金還是非晶態(tài)鋯合金除了具備鋯合金的所有優(yōu)點(diǎn)與特性外還各持所長(zhǎng)，鋯合金分類，為鋯合金的應(yīng)用與產(chǎn)品的材料選擇提供了簡(jiǎn)單明了的指導(dǎo)。

二、應(yīng)用

1、原子能核能領(lǐng)域

鋯合金主要應(yīng)用于核工業(yè)領(lǐng)域中的包殼材料、壓力管及元件盒等，其熱中子吸收截面積?。▋H為0.18×10-28m2），用鋯合金代替不銹鋼作為核反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)材料，可以節(jié)省近一半的鈾燃料，鋯合金在300~400℃高溫高壓水蒸汽中有很好的抗腐蝕性能，在反應(yīng)堆內(nèi)有相當(dāng)好的抗中子輻照性能，也使得反應(yīng)堆提高了數(shù)十年的使用壽命，鋯合金還有適中的力學(xué)性能、良好的加工性能以及和鈾燃料良好的相容性。鋯在核電工業(yè)，核潛艇制造及核廢料處理工業(yè)均是不可替代的結(jié)構(gòu)材料。

2、航空航天及軍工領(lǐng)域

鋯合金作為空間材料，可應(yīng)用于空間機(jī)構(gòu)關(guān)鍵活動(dòng)件。其具備較低的密度，可為衛(wèi)星等航天器的減重作出巨大貢獻(xiàn)，更擁有較低的熱膨脹系數(shù)，耐太空低溫、適應(yīng)交變溫度場(chǎng)、耐原子氧侵蝕、抗太空輻照等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的空間環(huán)境適應(yīng)性，這使得鋯合金在服役過(guò)程中更加可靠穩(wěn)定。太空中存在空間環(huán)境效應(yīng)，經(jīng)帶電粒子（120keV、最高注入量5×25400px-2的質(zhì)子、氮離子及氬離子）輻照后仍可靠服役；經(jīng)原子氧暴露后，提高了鋯合金表面的抗劃擦和抗腐蝕能力；在零下100℃極端低溫條件下，其強(qiáng)度得到大幅提升?！吧窳鄙鲜褂玫目垢g性、耐高的鈦產(chǎn)品，其抗腐蝕性能遠(yuǎn)不如鋯，其熔點(diǎn)1600度左右，而鋯的熔點(diǎn)則在1800度以上，二氧化鋯的熔點(diǎn)更是高達(dá)2700度以上，所以鋯作為航空航天材料，其各方面的性能大大優(yōu)越于鈦。在軍工領(lǐng)域，含鋯的裝甲材料、大炮鍛件、耐熱部件等是制造裝甲車、坦克、大炮和防彈板等武器的重要材料，與此同時(shí)可減輕武器、裝備重量，極大提高作戰(zhàn)能力。

3、海洋及化工領(lǐng)域

與傳統(tǒng)的不銹鋼、銅、鎳、鈦等金屬合金相比，鋯及鋯合金具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，能夠抵抗大多數(shù)有機(jī)酸、無(wú)機(jī)酸、強(qiáng)堿和一些熔融鹽的腐蝕侵害。在廢水處理、食品加工、強(qiáng)酸生產(chǎn)工業(yè)中，主要應(yīng)用于耐腐蝕性能要求高的設(shè)備及構(gòu)件，如反應(yīng)釜、耐酸泵、耐熱泵、熱交換管、浸液器、耐酸葉輪、閥門(mén)、攪拌器、噴嘴和容器襯里等。美國(guó)化工企業(yè)使用的鋯設(shè)備、裝置已超過(guò)25年，仍未受到明顯的腐蝕侵害影響，轉(zhuǎn)化率高達(dá) 85%~90%，大大提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。在深海探測(cè)過(guò)程中，鋯合金不僅可以經(jīng)受海水與海洋中砂石的沖蝕、海水腐蝕及流體摩擦磨損，還可以適應(yīng)-200~200℃的交變溫度環(huán)境，這是由于鋯的熱膨脹系數(shù)低可穩(wěn)定持續(xù)服役。

4、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

鋯具有無(wú)毒，無(wú)磁，人體親和、低彈性模量和性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。傳統(tǒng)不銹鋼（含鎳鉻等有毒元素），鎳合金（20%以上的人會(huì)產(chǎn)生由鎳引起的過(guò)敏反應(yīng)）或鈦合金彈性模量較大，植入人體后會(huì)引發(fā)“應(yīng)力屏蔽”效應(yīng)，造成人體肌肉萎縮等癥狀，而鋯合金不僅具有生物相容性，且彈性模量較低，作為口腔修復(fù)材料，骨骼植入材料，骨科修復(fù)材料及手術(shù)器械材料等已被廣泛應(yīng)用。核工業(yè)中使用的Zr-Nb合金已被作為替代骨骼植入人體，不存在碎屑剝落的現(xiàn)象，且骨溶解性低（與同為骨骼植入材料的CoCr合金相比，CoCr合金有較高的骨溶解風(fēng)險(xiǎn)），服役壽命是傳統(tǒng)植入材料的數(shù)倍。在口腔醫(yī)療方面的應(yīng)用更加廣泛，正畸修復(fù)時(shí)所使用的的矯治器，口腔種植體均大量使用鋯合金。并且在神經(jīng)外科這個(gè)極其敏感的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中都能使用鋯絲作腦外科手術(shù)的縫合材料。

5、極端特殊領(lǐng)域

鋯具有良好的吸氣性，鋯粉在電子管中廣泛用作除氣劑，在黑色冶金工業(yè)中，金屬鋯常用做煉鋼脫氣劑、添加劑，用以改善和提高產(chǎn)品的性能。鋯粉在空氣中易燃并伴隨釋放高熱量，因而可作為引爆雷管、照相閃光的引火物及無(wú)煙火藥。貯氫合金作為鋯的新用途可用作鎳氫電池的電極材料。鋯還是熱激活電池加熱片組份之一，加熱片由鋯粉、BaCrO4和無(wú)機(jī)纖維按Zr:BaCrO4:無(wú)機(jī)纖維(wt.%)=21:74:5比例混合制成，發(fā)熱量為1882.8J·g-1。鋯基非晶材料擁有超高的強(qiáng)度、耐摩擦磨損性能與高彈性，大幅超越不銹鋼、軸承鋼等傳統(tǒng)耐磨材料，已被用于制造極端環(huán)境服役設(shè)備的零部件和機(jī)構(gòu)件，如航空飛行器軸承、齒輪和卡環(huán)等。

除以上領(lǐng)域外，鋯及鋯合金還作為結(jié)構(gòu)材料、功能材料被應(yīng)用于許多特殊、極端領(lǐng)域中，處于產(chǎn)業(yè)鏈的頂端。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

1、鹽霧試驗(yàn)

鹽霧試驗(yàn)是人工加速模擬環(huán)境試驗(yàn)，鹽霧是指富含氯化物的大氣，主要模擬海洋大氣組成，它的主要腐蝕成分是氯化鈉，大氣腐蝕大多原發(fā)于氯離子的侵蝕。

在以下試驗(yàn)中，我們針對(duì)不同成分的鋯合金還有不銹鋼進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果顯示，在鋯合金中，鋯成分含量影響很大，合金Z-0到合金Z-4鋯含量逐漸增加，其腐蝕性能也大幅提升，而同時(shí)進(jìn)行測(cè)試的不銹鋼樣品由于以肉眼可見(jiàn)的腐蝕速率在鹽霧環(huán)境中遭到嚴(yán)重腐蝕，違背了鹽霧試驗(yàn)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)原則，故無(wú)法統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

鹽霧試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及結(jié)果分析

2、全浸試驗(yàn)

全浸試驗(yàn)是一種加速模擬材料在高濃度腐蝕介質(zhì)中的腐蝕試驗(yàn)，并通過(guò)觀察法與增/失重法來(lái)評(píng)價(jià)材料腐蝕性能。

在本試驗(yàn)中，通過(guò)模擬比較了不同鋯含量的鋯合金與不銹鋼之間在鹽酸溶液中的腐蝕性能差異?？梢悦黠@觀察到不銹鋼遭到了嚴(yán)重腐蝕，而鋯合金在高濃度鹽酸中幾乎未受影響。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展，鋯合金已廣泛應(yīng)用于國(guó)防科技和各重要工業(yè)領(lǐng)域，雖然鋯及鋯合金的研究工作還需進(jìn)一步深入加強(qiáng)，但已表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能和巨大應(yīng)用的潛力，這使得鋯及鋯合金的應(yīng)用推廣對(duì)加快我國(guó)工業(yè)化發(fā)展進(jìn)程具有重大意義。

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