Zirconium – Propriétés – Prix – Applications – Production

À propos du Zirconium

Le zirconium est un métal de transition solide, brillant, gris-blanc, qui ressemble à l’hafnium et, dans une moindre mesure, au titane. Le zirconium est principalement utilisé comme réfractaire et opacifiant, bien que de petites quantités soient utilisées comme agent d’alliage pour sa forte résistance à la corrosion. Le zirconium est largement utilisé comme gaine pour les combustibles des réacteurs nucléaires. Les propriétés recherchées pour ces alliages sont une faible section efficace de capture neutronique et une résistance à la corrosion dans les conditions normales de service.

Résumé

Élément	Zirconium
Numéro atomique	40
Catégorie d’élément	Métal de transition
Phase à STP	Solide
Densité	6,511 g/cm3
Résistance à la traction ultime	330 MPa
Limite d’élasticité	230 MPa
Module de Young	88 GPa
Échelle de Mohs	5
Dureté Brinell	650 MPa
Dureté Vickers	900 MPa
Point de fusion	1855°C
Point d’ébullition	4377°C
Conductivité thermique	22,7 W/mK
Coefficient de dilatation thermique	5,7 µm/mK
Chaleur spécifique	0,27 J/g·K
Température de fusion	16,9 kJ/mol
Chaleur de vaporisation	591 kJ/mol
Résistivité électrique [nanoohmmètre]	421
Susceptibilité magnétique	N / A

Applications du Zirconium

La plupart du zircon est utilisé directement dans les applications à haute température. Ce matériau est réfractaire, dur et résistant aux attaques chimiques. En raison de ces propriétés, le zircon trouve de nombreuses applications, dont peu sont très médiatisées. Son utilisation principale est comme opacifiant, conférant un aspect blanc et opaque aux matériaux céramiques. Le zirconium et ses alliages sont largement utilisés comme gaine pour les combustibles des réacteurs nucléaires. Le zirconium allié au niobium ou à l’étain possède d’excellentes propriétés de corrosion. La haute résistance à la corrosion des alliages de zirconium résulte de la formation naturelle d’un oxyde dense et stable à la surface du métal. Ce film est auto-cicatrisant, il continue à se développer lentement à des températures allant jusqu’à environ 550 °C (1020 °F) et il reste fermement adhérent. La propriété recherchée de ces alliages est également une faible section efficace de capture de neutrons.

 

 

Production et prix du Zirconium

Les prix des matières premières changent quotidiennement. Ils dépendent principalement de l’offre, de la demande et des prix de l’énergie. En 2019, les prix du Zirconium pur se situaient autour de 160 $/kg.

Environ 900 000 tonnes de minerai de zirconium ont été extraites en 1995, principalement sous forme de zircon. La production de zirconium métallique nécessite des techniques particulières en raison des propriétés chimiques particulières du zirconium. La plupart des métaux Zr sont produits à partir de zircon (ZrSiO4) par la réduction du chlorure de zirconium avec du magnésium métallique dans le procédé Kroll. La principale caractéristique du procédé Kroll est la réduction du chlorure de zirconium en zirconium métallique par le magnésium. Le zirconium de qualité commerciale non nucléaire contient généralement 1 à 5% d’hafnium, dont la section efficace d’absorption des neutrons est 600 fois supérieure à celle du zirconium. L’hafnium doit donc être presque entièrement éliminé (réduit à < 0,02 % de l’alliage) pour les applications en réacteur. En termes de coût, ces alliages sont également souvent les matériaux de choix pour les échangeurs de chaleur et les systèmes de tuyauterie pour les industries chimiques et nucléaires. Le zirconium est un sous-produit de l’extraction et du traitement des minéraux de titane, ainsi que de l’extraction de l’étain. De 2003 à 2007, alors que les prix du minerai de zircon ont augmenté régulièrement de 360 ​​$ à 840 $ la tonne, le prix du métal zirconium brut a diminué de 39 900 $ à 22 700 $ la tonne. Le zirconium métallique est beaucoup plus cher que le zircon car les procédés de réduction sont coûteux. Tous les coûts varient considérablement avec une certaine pureté.

Source : www.luciteria.com

Propriétés mécaniques du Zirconium

Force du Zirconium

En mécanique des matériaux, la résistance d’un matériau est sa capacité à supporter une charge appliquée sans rupture ni déformation plastique. La résistance des matériaux considère essentiellement la relation entre les charges externes appliquées à un matériau et la déformation ou la modification des dimensions du matériau qui en résulte. Lors de la conception de structures et de machines, il est important de tenir compte de ces facteurs, afin que le matériau sélectionné ait une résistance suffisante pour résister aux charges ou forces appliquées et conserver sa forme d’origine. La résistance d’un matériau est sa capacité à supporter cette charge appliquée sans défaillance ni déformation plastique.

Pour la contrainte de traction, la capacité d’un matériau ou d’une structure à supporter des charges tendant à s’allonger est appelée résistance ultime à la traction (UTS). La limite d’élasticité ou la limite d’élasticité est la propriété du matériau définie comme la contrainte à laquelle un matériau commence à se déformer plastiquement, tandis que la limite d’élasticité est le point où la déformation non linéaire (élastique + plastique) commence.

Voir aussi: Résistance des matériaux

Résistance à la traction ultime du Zirconium

La résistance à la traction ultime du zirconium est de 330 MPa.

Limite d’élasticité du Zirconium

La limite d’élasticité du zirconium est de 230 MPa.

Module de Young du Zirconium

Le module de Young du zirconium est de 230 MPa.

Dureté du Zirconium

En science des matériaux, la dureté est la capacité à résister à l’indentation de surface (déformation plastique localisée) et  aux rayures. Le test de dureté Brinell est l’un des tests de dureté par indentation, qui a été développé pour les tests de dureté. Dans les tests Brinell, un pénétrateur sphérique dur est forcé sous une charge spécifique dans la surface du métal à tester.

La dureté Brinell du zirconium est d’environ 650 MPa.

La méthode d’essai de dureté Vickers a été développée par Robert L. Smith et George E. Sandland chez Vickers Ltd comme alternative à la méthode Brinell pour mesurer la dureté des matériaux. La méthode d’essai de dureté Vickers peut également être utilisée comme méthode d’essai de microdureté, qui est principalement utilisée pour les petites pièces, les sections minces ou les travaux en profondeur.

La dureté Vickers du zirconium est d’environ 900 MPa.

La dureté à la rayure est la mesure de la résistance d’un échantillon à la déformation plastique permanente due au frottement d’un objet pointu. L’échelle la plus courante pour ce test qualitatif est l’échelle de Mohs, qui est utilisée en minéralogie. L’échelle de Mohs de dureté minérale est basée sur la capacité d’un échantillon naturel de minéral à rayer visiblement un autre minéral.

Le zirconium a une dureté d’environ 5.

Voir aussi: Dureté des matériaux

Zirconium – Structure cristalline

Une structure cristalline possible du zirconium est une structure hexagonale compacte.

Dans les métaux et dans de nombreux autres solides, les atomes sont disposés en réseaux réguliers appelés cristaux. Un réseau cristallin est un motif répétitif de points mathématiques qui s’étend dans tout l’espace. Les forces de la liaison chimique provoquent cette répétition. C’est ce motif répété qui contrôle les propriétés telles que la résistance, la ductilité, la densité, la conductivité (propriété de conduire ou de transmettre la chaleur, l’électricité, etc.) et la forme. Il existe 14 types généraux de ces modèles connus sous le nom de réseaux de Bravais.

Voir aussi: Structure cristalline des matériaux

Structure cristalline du Zirconium

Propriétés thermiques du Zirconium

Zirconium – Point de fusion et point d’ébullition

Le point de fusion du zirconium est de 1855°C.

Le point d’ébullition du zirconium est de 4377°C.

Notez que ces points sont associés à la pression atmosphérique standard.

Zirconium – Conductivité thermique

La conductivité thermique du Zirconium est de 22,7 W/(m·K).

Les caractéristiques de transfert de chaleur d’un matériau solide sont mesurées par une propriété appelée la conductivité thermique, k (ou λ), mesurée en W/mK. C’est une mesure de la capacité d’une substance à transférer de la chaleur à travers un matériau par conduction. Notez que la loi de Fourier s’applique à toute matière, quel que soit son état (solide, liquide ou gazeux), par conséquent, elle est également définie pour les liquides et les gaz.

Coefficient de dilatation thermique du Zirconium

Le coefficient de dilatation thermique linéaire du zirconium est  de 5,7 µm/(m·K)

La dilatation thermique est généralement la tendance de la matière à changer ses dimensions en réponse à un changement de température. Il est généralement exprimé sous la forme d’un changement fractionnaire de longueur ou de volume par unité de changement de température.

Zirconium – Chaleur spécifique, chaleur latente de fusion, chaleur latente de vaporisation

La chaleur spécifique du zirconium est de 0,27 J/g K.

La capacité calorifique est une propriété extensive de la matière, c’est-à-dire qu’elle est proportionnelle à la taille du système. La capacité thermique C a l’unité d’énergie par degré ou d’énergie par kelvin. Lors de l’expression du même phénomène en tant que propriété intensive, la capacité thermique est divisée par la quantité de substance, de masse ou de volume, ainsi la quantité est indépendante de la taille ou de l’étendue de l’échantillon.

La chaleur latente de fusion du zirconium est de 16,9 kJ/mol.

La chaleur latente de vaporisation du zirconium est de 591 kJ/mol.

La chaleur latente est la quantité de chaleur ajoutée ou retirée d’une substance pour produire un changement de phase. Cette énergie décompose les forces attractives intermoléculaires, et doit également fournir l’énergie nécessaire pour dilater le gaz (le pΔV travail). Lorsque la chaleur latente est ajoutée, aucun changement de température ne se produit. L’enthalpie de vaporisation est fonction de la pression à laquelle cette transformation a lieu.

Zirconium – Résistivité électrique – Susceptibilité magnétique

La propriété électrique fait référence à la réponse d’un matériau à un champ électrique appliqué. L’une des principales caractéristiques des matériaux est leur capacité (ou leur incapacité) à conduire le courant électrique. En effet, les matériaux sont classés selon cette propriété, c’est-à-dire qu’ils sont divisés en conducteurs, semi-conducteurs et non-conducteurs.

Voir aussi: Propriétés électriques

La propriété magnétique fait référence à la réponse d’un matériau à un champ magnétique appliqué. Les propriétés magnétiques macroscopiques d’un matériau sont une conséquence des interactions entre un champ magnétique extérieur et les moments dipolaires magnétiques des atomes qui le constituent. Différents matériaux réagissent différemment à l’application du champ magnétique.

Voir aussi: Propriétés magnétiques

Résistivité électrique du Zirconium

La résistivité électrique du zirconium est de 421 nΩ⋅m.

La conductivité électrique et son inverse, la résistivité électrique, est une propriété fondamentale d’un matériau qui quantifie la manière dont le zirconium conduit le flux de courant électrique. La conductivité électrique ou conductance spécifique est l’inverse de la résistivité électrique.

Susceptibilité magnétique du Zirconium

La susceptibilité magnétique du zirconium est N/A.

En électromagnétisme, la susceptibilité magnétique est la mesure de l’aimantation d’une substance. La susceptibilité magnétique est un facteur de proportionnalité sans dimension qui indique le degré d’aimantation du zirconium en réponse à un champ magnétique appliqué.