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Hafnium wird aufgrund seines sehr hohen Schmelzpunkts von 2.233 °C zur Herstellung von Hochtemperaturlegierungen eingesetzt. Diese sogenannten Superlegierungen zeichnen sich durch außergewöhnliche thermische Stabilität und Korrosionsbeständigkeit aus: Sie behalten ihre mechanischen Eigenschaften auch unter extremen Bedingungen.
In Legierungen mit Metallen wie Niob, Tantal, Molybdän und Wolfram wirkt bereits ein Zusatz von etwa 2 % Hafnium festigkeitssteigernd. Dadurch entstehen besonders stabile und hitzebeständige Werkstoffe. Hauptabnehmer ist die Luftfahrtindustrie: Im heißen Teil von Strahltriebwerken wird Hafnium etwa in der Superlegierung MAR M 247 eingesetzt, die für Turbinenschaufeln und Leitschaufeln verwendet wird. Auch in der Raumfahrt kommen hafniumhaltige Legierungen zum Einsatz. Rund 10 % der niobbasierten Legierung in Raketentriebwerksdüsen bestehen aus Hafnium.
Ein wichtiges Einsatzgebiet für Hafnium ist die Kernenergie, wo es zur Kontrolle der Kernspaltung und zur Erhöhung der Reaktorsicherheit beiträgt. Das Metall wird insbesondere in Steuerstäben verschiedener Reaktortypen eingesetzt, darunter Druckwasserreaktoren, die weltweit zu den am häufigsten betriebenen Reaktoren zählen. Steuerstäbe dienen dazu, die Kettenreaktion im Reaktorkern zu regulieren, indem sie überschüssige Neutronen absorbieren. Dadurch kann die Reaktorleistung präzise gesteuert und im Notfall eine schnelle Abschaltung ermöglicht werden.
Hafnium eignet sich besonders gut für den Einsatz in Steuerstäben, da es Neutronen sehr effektiv einfangen kann. Gleichzeitig ist das Material äußerst hitzebeständig und korrosionsfest. Diese Eigenschaften sind entscheidend, da Steuerstäbe im Reaktorkern extremen Temperaturen und intensiver Strahlung ausgesetzt sind.
Im Vergleich zu anderen Absorbermaterialien weist Hafnium außerdem eine hohe Betriebsstabilität auf, da es auch unter ständiger Neutronenbestrahlung lange funktionsfähig bleibt. Das spart Wartungsaufwand und macht den Reaktorbetrieb zuverlässiger.
Neben Steuerstäben wird Hafnium auch in weiteren Reaktorkomponenten eingesetzt, bei denen eine gezielte Neutronenabsorption gefragt ist. Dazu gehören Abschirmelemente zwischen verschiedenen Reaktorzonen sowie Sicherheitskomponenten, die im Notfall zusätzlich zur Reaktorschnellabschaltung beitragen.
In der Halbleiterindustrie spielt Hafnium eine wichtige Rolle. Hier wird vor allem Hafniumoxid verwendet, eine Verbindung aus Hafnium und Sauerstoff. Dieses Material wird in modernen Computerchips als sogenanntes High-k-Dielektrikum eingesetzt, das als Isolation des Steueranschlusses (Gate) in Feldeffekttransistoren dient. Es hilft dabei, elektrische Ströme innerhalb der winzigen Transistoren besser zu kontrollieren und unerwünschte Leckströme zu reduzieren. Dadurch können Chips leistungsfähiger und gleichzeitig energieeffizienter werden. Seit Mitte der 2000er-Jahre wird Hafniumoxid in vielen modernen Mikroprozessoren verwendet. Ein künftiges Anwendungsfeld könnten ferroelektrische Datenspeicher sein, an denen unter anderem das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme forscht.