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鈮“兄”鉭“弟” 上天入地

2019-12-18 9:06:03 來源:地質調查科普網 作者:王佳營 俞礽安 李志丹

mlb棒球比分直播大谷 www.ecrsv.com.cn 稀有金屬材料是21世紀材料科學與工程領域中最受重視的材料之一,是高新技術發展的關鍵材料,被譽為“工業的味精”,而鉭鈮材料又在其中扮演著重要的角色。

隨著現代高科技,如信息技術、新能源技術、空間技術、生物技術、超導技術等的發展,對鈮鉭金屬的需求也隨之加大。2018年,鈮鉭被美國政府列入關鍵礦產目錄。那么,鈮鉭金屬究竟是何方神圣,分布在哪里,又有哪些用途呢?

鈮鉭的發現和特性

鈮、鉭在元素周期表里是同族,物理、化學性質很相似,在自然界中也常常形影不離,如同一對“孿生兄弟”。1801年,英國化學家查理斯·哈契特在研究英國博物館鈮鐵礦時,在其中發現了一種新元素并把它命名為鈳元素(Columbium,后改名為鈮),這是為了紀念該礦物質最早被發現的地方——哥倫比亞。1802年,瑞典化學家安德斯·古斯塔夫·??瞬裨陬閭籩蟹⑾至硪恢中略?,他參照希臘神話中宙斯神兒子坦塔拉斯(Tantalus)的名字,將其命名為Tantalum(鉭)。由于鈮和鉭的性質非常相似,人們曾一度認為它們是同一種元素。直到1844 年,德國化學家羅塞詳細研究了許多鈮鐵礦和鉭鐵礦,分離出兩種元素,才澄清了事實真相。

鈮(Nb)金屬呈銀白色,熔點2468℃,沸點5127℃,密度為8.66g/cm3。鈮是一種難溶的稀有金屬,具有耐腐蝕、抗疲勞、抗變形、熱電傳導性能好等特點,在高溫下具有極好的電子發射性能,熱中子俘獲截面積較小,超導性能極佳。

鉭(Ta)金屬呈深灰色,熔點2996℃,沸點5427℃,密度為17.10g/cm3。鉭具有延性好、蒸汽壓低、熱導率大、耐高溫、抗腐蝕、冷加工和焊接性能好等特性,能形成穩定的陽極氧化膜,因此具有優良的整流和介電性能。

湖南平江縣新發現超大型花崗偉晶巖型鈮鉭礦

鈮鉭從哪里來

鈮在地球中的平均含量為0.002%,鉭的含量更低,為0.000006%。由于地球化學性質十分接近,這兩種元素在自然界中常常相伴相生,在同一礦物中出現。幾乎所有鈮礦物中都有鉭,鉭礦物中都有鈮,僅主次不同。至今共發現72種獨立的鈮、鉭礦物,其中絕大部分屬于氧化物,其次是硅酸鹽礦物。大部分鈮鉭礦物成分復雜,主要有鈮(鉭)鐵礦、燒綠石和黑稀金礦、褐釔鈮礦、鉭鐵礦、鈦鈮鈣鈰礦等。

鈮鉭礦主要形成于碳酸巖型礦床、花崗巖及花崗偉晶巖礦床和砂礦床中,其中以碳酸巖型最為重要。中國的鈮鉭礦主要有內蒙古包頭的白云鄂博礦、內蒙古扎魯特旗的花崗巖型鈮礦、湖北竹山廟埡鈮鉭礦、陜西華陽川鈾鈮鉛礦和江西宜春的鈮鉭礦等。

上天入地 神通廣大

鈮鉭具有熔點高、延性好、蒸汽壓低、耐蝕性強和熱導率高等優良特性,是電子、原子能、宇航、鋼鐵、化工等工業的重要原料,用途甚為廣泛,可謂上天入地,神通廣大。

在合金中的應用:用鈮作合金元素添加到鋼鐵中,能使鋼鐵的強度增加,加工性能改善。鋼鐵中僅需加入0.03%的鈮,就可以讓強度提升30%以上。通常,中碳鋼的屈服強度為250MPa,加入少量的鈮之后,屈服強度可以提升為350MPa以上。鋼中加入鈮不僅可以提高鋼的強度,還可以提高鋼的韌性、抗高溫氧化性和耐蝕性,降低鋼脆性轉變溫度,使鋼具有良好的焊接性能和成型性能。

白云鄂博礦

許多高溫、高強度合金都有這一對孿生兄弟參加。鈮、鉭本身很頑強,其碳化物更有能耐,這個特點與鎢、鉬毫無二致。用鈮和鉭的碳化物作基體制成的硬質合金,有很高的強度和抗壓、耐磨、耐蝕本領。在所有硬質化合物中,碳化鉭的硬度是最高的。用碳化鉭硬質合金制成的刀具能抗住3800°C以下的高溫,硬度可與金剛石匹敵,使用壽命比碳化鎢更長。

在超導材料方面的應用:鈮的某些化合物和合金具有較高的超導臨界溫度,可達18.5~21°C,是目前最重要的超導材料,因而被廣泛用于制造各種工業超導體,如核磁共振成像設備、超導發電機、加速器大功率磁體、超導磁儲能器等。目前,最重要的超導體材料是鈮-鈦和鈮-錫,被廣泛應用于醫學診斷用的核磁共振儀。

在航空航天方面的應用:鈮和鉭的熱強合金具有良好熱強性能、抗熱性能和加工性能,廣泛用于制造火箭、航空發動機的零部件、燃氣輪機的葉片。在美國,幾乎所有噴氣式戰斗機的發動機熱部件都采用鈮合金。1957年,美國全年工業用鈮的總量為10噸。而到了1967年,美國全年工業用鈮的總量飆升為200噸。這10年正是美國阿波羅計劃時期,火箭發動機和航空發動機需要大量高熔點金屬,C-103鈮合金在飛船上的大量應用保證了阿波羅計劃的成功實施。

在電子工業方面的應用:鈮酸鋰、鈮酸鉀等鈮酸鹽陶瓷具有介電常數小、壓電性高、頻率常數大、密度小等特點,被廣泛應用到紅外線、激光技術和電子工業中。此外,鈮的熔點高,發射電子能力強,且具有吸氣能力,可用于制作電子管及其它電真空器件。

由于鉭的表面能形成致密穩定、介電強度高的氧化膜,易于準確方便地控制電容器的陽極氧化工藝,因此用鉭制成的電容器具有電容量高、體積小、漏電流小、等效串聯電阻低、高低溫特性好、使用壽命長、可靠性好等優點,被廣泛用于通信、計算機、汽車、家用電器、儀器儀表、國防軍工等工業和科技部門。

在醫療方面的應用:鈮鉭具有良好的抗生理腐蝕性和生物相容性,不會與身體機體組織發生作用,因而常被用于制造接骨板、顱骨板骨螺釘、種植牙根、外科手術用具等。用鉭條替代人體中的骨頭時,肌肉還會在鉭條上生長,因此,鉭也被稱為“親生物金屬”。

在其他方面的應用:鈮鉭金屬除了以上應用,還在其他諸多方面被廣泛應用。其中,在化學工業中,鈮是優質的耐酸和耐液態金屬腐蝕的材料,可用于制作蒸煮器、加熱器、冷卻器等,有時也會與金和銀一起用在紀念幣上。此外,鈮酸是一種重要的催化劑。

總之,當前鉭鈮金屬應用的相關高技術產業領域包括電子、硬質合金、宇航、生物醫學工程、超導工業、精密陶瓷和精密玻璃工業、電聲光器件、特種鋼等。鉭鈮作為21世紀高新技術發展的新興材料礦產,是保證我國的礦產資源安全戰略和國民經濟穩定發展的關鍵礦產和戰略資源?!?/p>

作者單位:中國地質調查局天津地質調查中心)

網站編輯:宮莉

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