HF • Ordnungszahl 72
Hafnium
Hafnium ist ein hartes, duktiles Metall mit strahlendem Silberglanz. Hafnium ist relativ säurebeständig. Seine chemischen Eigenschaften sind Zirkonium sehr ähnlich. Das chemische Verhalten dieser beiden Elemente ist ähnlicher als bei jedem anderen bekannten Elementpaar.
Die wichtigsten Anwendungsgebiete von Hafnium ist in Steuerstäben von Druckwasserreaktoren, in Superkondensatoren, Halbleitern, als Superlegierung für die Luft- und Raumfahrtindustrie und in Hochtemperaturkeramiken. Tantal-Hafniumcarbid mit einem Schmelzpunkt von 4.215 °C (7.619 °F) ist eine der feuerfestesten bekannten Substanzen.
Hafnium wird ausschließlich als Nebenprodukt der Zirkoniumraffination gewonnen. Die weltweit führenden Exporteure von Zirkoniummineralkonzentraten sind Australien und Südafrika.
Der globale Hafnium-Markt beträgt schätzungsweise 80 Tonnen jährlich. Die Hafniumproduktion konzentriert sich auf nur eine Handvoll Länder: China, Frankreich, die USA und Russland.
Framatome, ein Tochterunternehmen des französischen Elektrizitätsunternehmens EDF dominiert den Markt für nukleartaugliches Hafnium.
In den wichtigsten Industrieländern und China gilt Hafnium als kritischer Rohstoff.
Geschichte
Der niederländische Physiker Dirk Coster und der ungarisch-schwedische Chemiker George Charles von Hevesy entdeckten Hafnium 1923 in norwegischen und grönländischen Zirkonmineralen, indem sie deren Röntgenspektren analysierten. Sie benannten das neue Element nach dem neulateinischem Namen für Kopenhagen (Hafnia), der Stadt, in der es entdeckt wurde.
Seine Geschichte ist geprägt von einer langen Suche. Dimitri Mendeleev sagte bereits 1869 ein Element mit ähnlichen Eigenschaften wie Titan und Zirkonium voraus. Viele Wissenschaftler suchten es vergeblich, darunter Georges Urbain und Henry Moseley. Fehldeutungen führten zu falschen „Entdeckungen“ wie „Celtium“ 1911, das sich später als Lutetium erwies.
In den 1940ern nutzte die US-Atomindustrie Hafnium für Kernreaktor-Steuerstäbe, da es — im Gegensatz zu Zirkonium — Neutronen stark absorbiert.
Verwendung
Der größte Anwendungsbereich für Hafnium ist die Luft- und Raumfahrtindustrie. Dort kommt es in Superlegierungen für etwa Triebwerke und in Form von hafniumhaltigen Beschichtungen für Hochtemperaturkomponenten zum Einsatz.
Ein weiterer bedeutender Hafniumverbraucher ist die Atomkraft. Aufgrund seines hohen Neutroneneinfangquerschnitts und seiner hervorragenden mechanischen Eigenschaften wird Hafnium in Steuerstäben von Kernkraftwerken verwendet.
Auch in der Mikroelektronik und Halbleiterindustrie spielt Hafnium eine Rolle. In Kondensatoren wird Hafnium als High-k-Dielektrikum eingesetzt. Es kann Siliziumdioxid ersetzen, was dünnere Isolationsschichten ermöglicht, was die Leistungsfähigkeit und Miniaturisierung von Halbleiterbauelementen verbessert.
Neue Erkenntnisse über die Eigenschaften von Hafniumoxid legen nahe, dass diese Materialien eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung neuer Speichertechnologien spielen könnten. Aufgrund der Ferroelektrizität von Hafniumoxid können Daten auch ohne Strom über längere Zeit gespeichert werden. Diese Speicheranwendungen können den Weg für größere und schnellere Computersysteme ebnen, indem sie die durch die kontinuierliche Datenübertragung in den Kurzzeitspeicher entstehende Wärme reduzieren.
Vorkommen, Abbau, Gewinnung
Die wichtigsten Minerale für die kommerzielle Gewinnung von Hafnium sind Zirkon und Baddeleyit, die als Nebenprodukte bei der Gewinnung von Titanmineralien anfallen. In der Natur ist Hafnium stets an Zirkoniumverbindungen gebunden und schwer abzutrennen.
Aufgrund der starken chemischen Ähnlichkeit von Hafnium und Zirkonium ist die Trennung der beiden Elemente voneinander sehr aufwändig und teuer. Die bevorzugten Methoden zur Trennung von Hafnium und Zirkonium sind Ionenaustausch- und Lösungsmittelextraktionstechniken.
Für manche Zwecke ist die Trennung der beiden Elemente allerdings nicht erforderlich.
Die wichtigsten Abbauländer für hafniumhaltige Zirkoniumminerale sind Australien und Südafrika, wo sie aus Mineralsanden und Flusskies gewonnen werden. Die mit Abstand größten Reserven befinden sich in Australien.
Das australische Bergbauunternehmen Iluka Resources ist der weltgrößter Produzent von Zirkoniumerzen, gefolgt vom US-Unternehmen Tronox und dem britisch-australischen Bergbaukonzern Rio Tinto.
Framatome, ein Tochterunternehmen des französischen Elektrizitätsunternehmens EDF dominiert den Markt für nukleartaugliches Hafnium. Allegheny Technologies Incorporated ist führender US-Hersteller von Hafnium für die Luftfahrt- und Nuklearindustrie und produziert etwa hochreines Hafnium für Turbinenschaufeln.
China National Nuclear Corporation ist Chinas größter Produzent von Hafnium.
Chepetsky Mechanical Plant, eine Tochter des staatlichen Konzerns Rosatom ist ein wichtiger russischer Hersteller, der Hafnium für die heimische Nuklear- und Rüstungsindustrie liefert.
Im Jahr 2024 wird das weltweite Absatzvolumen von Hafnium (Hf) auf etwa 80 Tonnen geschätzt, allerdings kann die genaue Menge aufgrund von Geheimhaltung im Nuklear- und Militärbereich nicht mit Sicherheit beziffert werden.
Entwicklungen in der Elektronikindustrie, verstärkte Investitionen im Rüstungsbereich und der Ausbau von Atomkraftwerken läßt die Nachfrage nach Hafnium wachsen.
Substitution
In Legierungen kann Hafnium durch Magnesium, Kobalt, Chrom, Niob und Tantal ersetzt werden. In bestimmten Superlegierungen ist Hafnium mit Zirkonium austauschbar.
In Steuerstäben von Kernkraftwerken können anstelle von Hafniummetall auch Bor- oder Cadmium-Silber-Indium-Legierungen verwendet werden.