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最近國防七子之一的西工大,又公佈瞭一項研究:鈮合金。這是一種新型高端材料,熔點超過2400攝氏度,在地球上都無法煉制,隻能送到太空微重力環境才能做出來。雖然看似嬌貴,但是一旦把它運用到戰鬥機或者火箭發動機中,中國的科技實力將會向前邁出一大步。
鈮合金到底有多強?
鈮合金是一種以鈮為基礎的、加入若幹種元素形成的合金。一般來說,合金的性能都比較優秀,像西工大這次研究的鈮合金,熔點超過瞭2400攝氏度。
這樣耐高溫的材料,人們往往第一時間想到的是像鎢這種堅硬無比的金屬,然而鈮合金在能夠承受高溫的同時,卻還有著極強的韌性。說到這裡,就不得不說一下人類發現鈮金屬的歷史瞭。
人類發現鈮金屬的歷史,要回到 1801 年。那年,英國化學傢查理斯·哈契特在大英博物館的一種礦石樣本中發現瞭鈮。這種礦石樣本是由美國康涅狄格州的約翰·溫思羅普,在1734 年的時候送來的。
經過多次實驗之後,哈契特從礦石中分離出錳、鐵等多種單質,然後還得到一些黑色的金屬氧化物,但是他嘗試各種方法,都未能成功將其還原為單質。經過與已知金屬氧化物比對,他確認其中蘊含著一種人類未發現的新元素。為紀念這塊礦石的產地,他就將這種新元素命名為“鈳”。
時間來到19 世紀初,瑞典化學傢埃克伯格,從芬蘭得到的礦石裡分離出一種抗腐蝕能力強的新金屬元素,然後用希臘神話中的英雄坦塔羅斯命名為 “鉭”。由於鈳和鉭的性質非常相似,於是就引發瞭科學界對它們是否為同一金屬的激烈討論。
1844 年,德國化學傢羅斯,對來自波登馬伊斯的礦石進行研究,並且從中成功分離出兩種化學性質相似的元素,其中一種是已知的鉭元素,另一種是全新元素。
為紀念這一發現,他將新元素命名為“鈮”,其名稱詞根來源於坦塔羅斯的女兒尼奧比,寓意該元素如神話般珍貴獨特。然而當時“鈮”與“鈳”是否為同一元素,並未得到明確解答。
1866 年時,瑞士一位叫做馬利納克的科學傢,發明有效分離鉭和鈮的“分步結晶法”,後來經過對比,發現它們實際上是同一種元素。在命名時,他也認為用坦塔羅斯之女尼奧比來命名“鈮”,更具邏輯性和文化底蘊。
然而在那個時候,馬利納克的命名提議僅得到歐洲科學界支持,對於美國科學界,他們認為“鈳”得名更早,並且有紀念哥倫佈的意義,所以堅決反對。
這種局面持續近一個世紀,直到 1949 年的時候,國際純粹與應用化學會召開會議作出裁決,才正式確定元素周期表中第 41 號元素的名稱為“鈮”,而“鈳”則作為舊稱保留。至此,長期的命名爭議終於畫上句號。
鈮的發現之所以一波三折,和它的特性脫不瞭關系,這種材料相當特殊,它的密度比鐵還大,和銅差不多,表面呈銀灰色,質地非常柔軟,並且它的化學性質又非常不活潑,不僅耐酸,而且還耐堿,然而更讓人驚訝的是,這種金屬還超級耐高溫,熔點達到2468攝氏度,在十九世紀根本沒有辦法能夠把它融化,所以研究起來非常麻煩。
那麼這樣逆天的金屬有能為人類做出什麼貢獻呢?
鈮合金的用途
其實像鈮合金這樣耐高溫的材料,通常會被優先考慮用在航空航天工業領域,尤其是航天器的發動機,不僅對材料的耐高溫能力要求高,而且對材料的強度要求也很高。像傳統使用的陶瓷,雖然耐高溫上達到瞭要求,但是這種材料在室溫下會產生脆性,總是不盡如人意。
鈮的熱強合金具有良好熱強性能、抗熱性能和加工性能,剛好符合航天發動機的需求,最適合用來制造發動機的零部件,以及燃氣輪機的葉片等。據說在美國,幾乎所有噴氣式戰鬥機的發動機熱部件都采用鈮合金。
或者也可以制成薄板和外形復雜的零件,用作航天和航空工業的熱防護和結構材料。在深空探測、行星開發領域,可成為關鍵助推器;還可用作核反應堆結構材料,太陽能電池板建造等。
西北工業大學研究的全新鈮合金材料,能經受住2400℃高溫環境的考驗,並且極具韌性與穩定性,室溫環境中也能保持狀態恒定。
未來不僅能裝配在航天器材上,還能用於戰鬥機發動機制作,用其打造的葉片,在室溫和高溫時的表現都十分穩定,可輕易制造為戰鬥機需要的翼型曲線,還能保證內部中空,讓內部各類管路的氣體實現循環順暢,散熱效果俱佳。
除此之外,像電子工業領域、醫療領域、原子能領域等很多方面,如果用上瞭鈮合金材料,對於這些行業將會產生巨大的推動作用。這感覺就好像電影《黑豹》裡的振金一樣,就算是落後的原始部落,也能通過新材料趕超世界文明。
不過好在鈮金屬並沒有被某個國傢壟斷,在全世界很多國傢都有分佈。
據統計,全球鈮儲量預計超過1700萬金屬噸,其中巴西的鈮資源最為豐富,儲量高達1600萬金屬噸,約占全世界的90%,居世界第一。主要分佈於巴西、加拿大、澳大利亞、中國、埃塞俄比亞、尼日利亞、俄羅斯、美國、剛果(金)、肯尼亞等國。
2023年全球鈮資源生產量約8.3萬金屬噸,其中巴西的產量約為6.6萬金屬噸,約占全球總產量的88%。巴西的Morro do Seis Lagos礦床是全球最大的鈮礦床,Nb₂O₅儲量8143萬噸,平均品位為2.81%;Araxá礦床是當前正在開采的高品位礦床,Nb₂O₅儲量為4558萬噸,品位1.74%。
中國鈮資源分佈較廣,主要分佈在內蒙古、湖北、江西、新疆、湖南、廣東、福建等地。並且中國最大的鈮礦床是內蒙古白雲鄂博礦床,屬於稀土-鈮-鐵(REE-Nb-Fe)多金屬超大型礦床。
有數據統計顯示,中國鈮資源儲量(以Nb₂O₅計)約為927萬噸,其中白雲鄂博礦床鈮儲量約660萬噸,約占中國鈮儲量的70%。除此之外,中國西南地區玄武巖風化殼富集鈮,有望成為新興的表生作用鈮礦種類和潛在的鈮資源來源。
雖然很多國傢都有鈮礦資源,但其實這種材料的應用難點不在開采,而在於如何制成合金。
鈮合金如何制成
鈮合金,以鈮為基加入若幹種元素形成的合金,是一種重要的難熔金屬材料。主要包括鈮鉿合金、鈮鎢合金、鈮鋯合金、鈮鈦合金、鈮鎢鉿合金、鈮鉭鎢合金和鈮鈦鋁合金。鈮合金通常保持瞭純鈮的低溫塑性,同時具有比純鈮高得多的強度和其他性能。在鎢、鉬、鉭、鈮4大難熔金屬材料中,鈮合金具有最高的強度。
要制作鈮合金材料,就必須要考慮鈮金屬的熔化問題。鈮金屬的熔點在2400度以上,而沸點達到4744度,這是它的優勢所在,也是人們難以馴服它的原因,因為地球上很難找到合適的容器來盛放液態金屬鈮。
為瞭解決這個問題,西工大的研究團隊就借助中國空間站的實驗室,把相關材料送到太空,讓航天員在太空幫忙做實驗。由於沒有重力的影響,熔融態的金屬鈮在太空中並不需要容器,就可以很方便地進行各種操作。
這有人肯定要反駁,鎢的熔點和沸點都要在鈮之上,用鎢作為容器不就行瞭嗎?話雖如此,但是要註意,要煉制合金,不僅要考慮把金屬融化,還要考慮到沒有雜質進去,這下地球的煉鋼爐裡,很明顯難以實現。而太空中因為處於微重力環境,所以不需要容器,也就不用考慮雜質的問題。
另外,在地球上煉制合金,總是要考慮到其他成分因重力導致分佈不均的問題,但是在微重力狀態下,就不會有這種問題。
總體來說,西工大這次的成果,不僅是向外界表明瞭我們掌握瞭鈮合金這種材料,更是告訴瞭世人,我們國傢的合金制造技術正在領先全球。畢竟在太空裡冶煉金屬這種事,全世界也沒幾個國傢能做到。並且在後面,還會有更多的合金材料被送往太空,到時候將會誕生更多優質合金。