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铌“兄”钽“弟” 上天入地

2019-12-18 9:06:03 来源:地质调查科普网 作者:王佳营 俞礽安 李志丹

皇家社会主场 www.vgfpej.com.cn 稀有金属材料是21世纪材料科学与工程领域中最受重视的材料之一,是高新技术发展的关键材料,被誉为“工业的味精”,而钽铌材料又在其中扮演着重要的角色。

随着现代高科技,如信息技术、新能源技术、空间技术、生物技术、超导技术等的发展,对铌钽金属的需求也随之加大。2018年,铌钽被美国政府列入关键矿产目录。那么,铌钽金属究竟是何方神圣,分布在哪里,又有哪些用途呢?

铌钽的发现和特性

铌、钽在元素周期表里是同族,物理、化学性质很相似,在自然界中也常常形影不离,如同一对“孪生兄弟”。1801年,英国化学家查理斯·哈契特在研究英国博物馆铌铁矿时,在其中发现了一种新元素并把它命名为钶元素(Columbium,后改名为铌),这是为了纪念该矿物质最早被发现的地方——哥伦比亚。1802年,瑞典化学家安德斯·古斯塔夫·??瞬裨陬闾笾蟹⑾至硪恢中略?,他参照希腊神话中宙斯神儿子坦塔拉斯(Tantalus)的名字,将其命名为Tantalum(钽)。由于铌和钽的性质非常相似,人们曾一度认为它们是同一种元素。直到1844 年,德国化学家罗塞详细研究了许多铌铁矿和钽铁矿,分离出两种元素,才澄清了事实真相。

铌(Nb)金属呈银白色,熔点2468℃,沸点5127℃,密度为8.66g/cm3。铌是一种难溶的稀有金属,具有耐腐蚀、抗疲劳、抗变形、热电传导性能好等特点,在高温下具有极好的电子发射性能,热中子俘获截面积较小,超导性能极佳。

钽(Ta)金属呈深灰色,熔点2996℃,沸点5427℃,密度为17.10g/cm3。钽具有延性好、蒸汽压低、热导率大、耐高温、抗腐蚀、冷加工和焊接性能好等特性,能形成稳定的阳极氧化膜,因此具有优良的整流和介电性能。

湖南平江县新发现超大型花岗伟晶岩型铌钽矿

铌钽从哪里来

铌在地球中的平均含量为0.002%,钽的含量更低,为0.000006%。由于地球化学性质十分接近,这两种元素在自然界中常常相伴相生,在同一矿物中出现。几乎所有铌矿物中都有钽,钽矿物中都有铌,仅主次不同。至今共发现72种独立的铌、钽矿物,其中绝大部分属于氧化物,其次是硅酸盐矿物。大部分铌钽矿物成分复杂,主要有铌(钽)铁矿、烧绿石和黑稀金矿、褐钇铌矿、钽铁矿、钛铌钙铈矿等。

铌钽矿主要形成于碳酸岩型矿床、花岗岩及花岗伟晶岩矿床和砂矿床中,其中以碳酸岩型最为重要。中国的铌钽矿主要有内蒙古包头的白云鄂博矿、内蒙古扎鲁特旗的花岗岩型铌矿、湖北竹山庙垭铌钽矿、陕西华阳川铀铌铅矿和江西宜春的铌钽矿等。

上天入地 神通广大

铌钽具有熔点高、延性好、蒸汽压低、耐蚀性强和热导率高等优良特性,是电子、原子能、宇航、钢铁、化工等工业的重要原料,用途甚为广泛,可谓上天入地,神通广大。

在合金中的应用:用铌作合金元素添加到钢铁中,能使钢铁的强度增加,加工性能改善。钢铁中仅需加入0.03%的铌,就可以让强度提升30%以上。通常,中碳钢的屈服强度为250MPa,加入少量的铌之后,屈服强度可以提升为350MPa以上。钢中加入铌不仅可以提高钢的强度,还可以提高钢的韧性、抗高温氧化性和耐蚀性,降低钢脆性转变温度,使钢具有良好的焊接性能和成型性能。

白云鄂博矿

许多高温、高强度合金都有这一对孪生兄弟参加。铌、钽本身很顽强,其碳化物更有能耐,这个特点与钨、钼毫无二致。用铌和钽的碳化物作基体制成的硬质合金,有很高的强度和抗压、耐磨、耐蚀本领。在所有硬质化合物中,碳化钽的硬度是最高的。用碳化钽硬质合金制成的刀具能抗住3800°C以下的高温,硬度可与金刚石匹敌,使用寿命比碳化钨更长。

在超导材料方面的应用:铌的某些化合物和合金具有较高的超导临界温度,可达18.5~21°C,是目前最重要的超导材料,因而被广泛用于制造各种工业超导体,如核磁共振成像设备、超导发电机、加速器大功率磁体、超导磁储能器等。目前,最重要的超导体材料是铌-钛和铌-锡,被广泛应用于医学诊断用的核磁共振仪。

在航空航天方面的应用:铌和钽的热强合金具有良好热强性能、抗热性能和加工性能,广泛用于制造火箭、航空发动机的零部件、燃气轮机的叶片。在美国,几乎所有喷气式战斗机的发动机热部件都采用铌合金。1957年,美国全年工业用铌的总量为10吨。而到了1967年,美国全年工业用铌的总量飙升为200吨。这10年正是美国阿波罗计划时期,火箭发动机和航空发动机需要大量高熔点金属,C-103铌合金在飞船上的大量应用保证了阿波罗计划的成功实施。

在电子工业方面的应用:铌酸锂、铌酸钾等铌酸盐陶瓷具有介电常数小、压电性高、频率常数大、密度小等特点,被广泛应用到红外线、激光技术和电子工业中。此外,铌的熔点高,发射电子能力强,且具有吸气能力,可用于制作电子管及其它电真空器件。

由于钽的表面能形成致密稳定、介电强度高的氧化膜,易于准确方便地控制电容器的阳极氧化工艺,因此用钽制成的电容器具有电容量高、体积小、漏电流小、等效串联电阻低、高低温特性好、使用寿命长、可靠性好等优点,被广泛用于通信、计算机、汽车、家用电器、仪器仪表、国防军工等工业和科技部门。

在医疗方面的应用:铌钽具有良好的抗生理腐蚀性和生物相容性,不会与身体机体组织发生作用,因而常被用于制造接骨板、颅骨板骨螺钉、种植牙根、外科手术用具等。用钽条替代人体中的骨头时,肌肉还会在钽条上生长,因此,钽也被称为“亲生物金属”。

在其他方面的应用:铌钽金属除了以上应用,还在其他诸多方面被广泛应用。其中,在化学工业中,铌是优质的耐酸和耐液态金属腐蚀的材料,可用于制作蒸煮器、加热器、冷却器等,有时也会与金和银一起用在纪念币上。此外,铌酸是一种重要的催化剂。

总之,当前钽铌金属应用的相关高技术产业领域包括电子、硬质合金、宇航、生物医学工程、超导工业、精密陶瓷和精密玻璃工业、电声光器件、特种钢等。钽铌作为21世纪高新技术发展的新兴材料矿产,是保证我国的矿产资源安全战略和国民经济稳定发展的关键矿产和战略资源?!?/p>

作者单位:中国地质调查局天津地质调查中心)

网站编辑:宫莉