铌的基本知识

铌的基本知识铌的性质:铌一种化学元素。化学符号Nb，原子序数41，原子量92.90638，属周期系ⅤB族。1801年英国C.哈切特从铌铁矿中分离出一种新元素的氧化物，并命名该元素为columbium（中译名钶）。1802年瑞典A.G.厄克贝里在钽铁矿中发现另一种新元素tantalum。由于这两种元素性质上非常相似，不少人认为它们是同一种元素。1844年德意志H.罗泽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。铌在地壳中的含量为0.002％，主要矿物有铌铁矿〔（Fe，Mn）（Nb，Ta）2Ob〕、烧绿石〔（Ca，Na）2（Nb，Ta，Ti）2O6（OH，F）〕和黑稀金矿、褐钇铌矿、钽铁矿、钛铌钙铈矿。铌是灰白色金属，熔点2468℃，沸点4742℃，密度8.57克／厘米3。室温下铌在空气中稳定，在氧气中红热时也不被完全氧化，高温下与硫、氮、碳直接化合，能与钛、锆、铪、钨形成合金。不与无机酸或碱作用，也不溶于王水，但可溶于氢氟酸。铌的氧化态为－1、＋2、＋3、＋4和＋5，其中以＋5价化合物最稳定。金属铌可用电解熔融的七氟铌酸钾制取，也可用金属钠还原七氟铌酸钾或金属铝还原五氧化二铌制取。纯铌在电子管中用于除去残留气体，钢中掺铌能提高钢在高温时的抗氧化性，改善钢的焊接性能。铌还用于制造高温金属陶瓷。“烈火金刚”和“抗蚀冠军”——铌和钽这次我们要结识的是铌和钽这一对“孪生兄弟”。把它们放到一起来介绍是有道理的，因为它们在元素周期表里是同族，物理、化学性质很相似，而且常常“形影不离”，在自然界伴生在一起，真称得上是一对维妙维肖的“孪生兄弟”。事实上，当人们在十九世纪初首次发现铌和钽的时候，还以为它们是同一种元素呢。以后大约过了四十二年，人们用化学方法第一次把它们分开，这才弄清楚它们原来是两种不同的金属。铌、钽和钨、钼一样都是稀有高熔点金属，它们的性质和用途也有不少相似之处。既然被称为稀有高熔点金属，铌、钽最主要的特点当然是耐热。它们的熔点分别高达摄氏二千四百多度和将近三千度，不要说一般的火势烧不化它们，就是炼钢炉里烈焰翻腾的火海也奈何它们不得。难怪在一些高温高热的郡门里，特别是制造一千六百度以上的真空加热炉，钽金属是十分适合的材料。我们在前面介绍钨钼合金钢的时候就已经看到，一种金属的优良性能往往可以“移植”到另一种金属里。现在的情况也是这样，用铌作合金元素添加到钢里，能使钢的高温强度增加，加工性能改善。铌、钽与钨、钼、钒、镍、钴等一系列金属合作，得到的“热强合金”，可以用作超音速喷气式飞机和火箭、导弹等的结构材料。目前科学家们在研制新型的高温结构材料时，已开始把注意力转向铌、钽；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，它们的碳化物更有能耐，这个特点与钨、钼也毫无二致。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。在所有的硬质化合物中，碳化钽的硬度是最高的。用碳化袒硬质合金制成的刀具，能抗得住三千八百度以下的高温，硬度可以与金刚石匹敌，使用寿命比碳化钨更长。外科医疗上的妙用：钽在外科医疗上也占有重要地位，它不仅可以用来制造医疗器械，而且是很好的“生物适应性材料”。比如说吧，用钽片可以弥补头盖骨的损伤，钽丝可以用来缝合神经和肌腱，钽条可以代替折断了的骨头和关节，钽丝制成的钽纱或钽网，可以用来补偿肌肉组织……在医院里，还会有这样的情况：用钽条代替人体里折断了的骨头之后，经过一段时间，肌肉居然会在钽条上生长起来，就像在真正的骨头上生长一样。怪不得人们把钽叫作“亲生物金属”哩。为什么钽在外科手术中能有这样奇特的作用呢？关键还是因为它有极好的抗蚀性，不会与人体里的各种液体物质发生作用，并且几乎完全不损伤生物的机体组织，对于任何杀菌方法都能适应，所以可以同有机组织长期结合而无害地留在人体里。除了在外科手术中有这样好的用途外，利用铌、钽的仆学稳定性，还可以用它们来制造电解电容器、整流器等等。特别是钽，目前约有一半以上用来生产大容量，小体积，高稳定性的固体电解电容器。全世界每年都要生产几亿只。钽电解电容器没有“辜负”人们的厚望，它具有很多其他材料比不上的优点。它比跟它一般大小的其他电容器“兄弟”的电容量大五倍，而且非常可靠、耐震，工作温度范围大，使用寿命长，现在已经大量地用在电子计算机、雷达、导弹、超音速飞机、自动控制装置以及彩色电视、立体电视等的电子线路中。超低温下创奇迹：然而，最使我们惊诧不已的，是它们不仅能在极高温度的环境里顽强地工作，而且还能在超低温的条件下出色地为我们服务，它们可真是了不起。小朋友，你们中也许有一些人会知道有这么个温度，叫“绝对零度”，它的零度相当于摄氏零下二百七十三度。绝对零度被认为是不能再低的低温了。人们很早以前就发现，当温度降低到接近绝对零度的时俟，有些物质的化学性质会发生突然的改变，变成一种几乎没有电阻的“超导体”。物质开始具有这种奇异的“超导”性能的温度叫临界温度。不用说，各种物质的临界温度是不一样的。要知道，超低温度是很不容易得到的，人们为此而付出了巨大的代价；越向绝对零度接近，需要付出的代价越大。所以我们对超导物质的要求，当然是临界温度越高越好。具有超导性能的元素不少，铌是其中临界温度最高的一种。而用铌制造的合金，临界温度高达绝对温度十八点五到二十一度，是目前最重要的超导材料。人们曾经做过这样一个实验：把一个冷到超导状态的金属铌环，通上电流然后再断开电流，然后，把整套仪器封闭起来，保持低温。过了两年半后，人们把仪器打开，发现铌环里的电流仍在流动，而且电流强弱跟刚通电时几乎完全相同！从这个实验可以看出，超导材料几乎不会损失电流。如果使用超导电缆输电，因为它没有电阻，电流通过时不会有能量损耗，所以输电效率将大大提高。有人设计了一种高速磁悬浮列车，它的车轮部位安装有超导磁体，使整个列车可以浮起在轨道上约十厘米。这样一来，列车和轨道之间就不会再有摩擦，减少了前进的阻力。一列乘载百人的磁悬浮列车，只消一百马力的推动力，就能使速度达到每小时五百公里以上。用一条长达二十公里的铌锡带，缠绕在直径为一点五米的轮缘上，绕组能够产生强烈而稳定的磁场，足以举起一百二十二公斤的重物，并使它悬浮在磁场空间里。如果把这种磁场用到热核聚变反应中，把强大的热核聚变反应控制起来，那就有可能给我们提供大量的几乎是无穷无尽的廉价电力。不久前，人们曾用铌钛超导材料制成了一台直流发电机。它的优点很多，比如说体积小，重量轻，成本低，与同样大小的普通发电机相比，它发的电量要大一百倍。铌的多种用途铌的用途:铌作为铁基、镍基和锆基超级合金的添加剂，可提高其强度性能。铌在原子能工业中适于作反应堆的结构材料和核燃料的包套材料以及航空、宇航工业中热防护和结构材料。铌电容和钽电容相似，但由于铌的密度小，单位体积电容量则较大。铌钛、铌锆合金及铌锡、铌铝锗等化合物超导材料，除用作输电、发电、制造超导磁体、控制核聚变外，还用于宇宙飞行器中的导航装置、高速潜水船只的电磁推进设备以及超导超阶级高速列车等。铌耐酸腐蚀性能比锆好，不如钽，可作热交换器、冷凝器、过滤器、搅拌器等。碳化铌可以单独使用或与碳化钨、碳化钼配合使用，作热锻模、切削工具、喷气发动机涡轮叶片，阀门、尾裙及火箭喷嘴涂层。含铌的合金钢强度高、韧性好、抗冷淬，广泛用在输油管道。铌酸锂单晶用于彩色电视机。铌的性质铌是一个种显钢灰色光泽的难熔稀有金属，其熔点为2467。C，密度为8.6克/厘米3。铌具有良好的低温塑性，可冷压力加工成各种半成品。耐高温、强度大，在1000。C以上仍具有足够的强度、塑性和导热性。在极低的温度下超导性最好，如在零下260。C左右其电阻接近于零。在150。C以下抗化学腐蚀和大气腐蚀。在常温下对许多酸和盐的溶液都是稳定的，但溶于氢脆。阳极化时生成稳定的氧化膜。在自然界矿物中铌。阳极化时生成稳定的氧化膜。在自然界矿物中铌、钽共生，含铌、钽的矿物有：烧绿石、铌钽铁矿、褐钇铌矿、含铌钛铁金红石、红晶石以及含铌钽酸盐的砂矿。某些炼钢炉渣和炼锡炉渣也是是、提练铌的重要资源。划分铌矿或钽矿，主要是根据矿物中含铌或钽的多少而定。铌三锡超导磁性能达到国际水平宝鸡稀有色金属加工研究院用自产线材试制成功内径为23.5毫米的插入型多芯铌三锡超导磁体。这种磁体与常规磁体比体积小、重量轻，磁场强度高；若通电闭合运行后，则长期运行不需供电。经中法两国科技人员在法国国家科研中心高场实验室一起测试，在-286.96℃下，磁体中心场强达15.4万高斯，性能达到国际水平。铌矿的分布铌的分布:内蒙古、湖北；钽矿：江西，内蒙古、广东；锂矿：青海、湖北、四川；铍矿：新疆、内蒙、四川、云南；江西宜春铌钽矿、内蒙古白云鄂博铌钽矿、新疆阿勒泰铍、锂-稀有矿、青海锂矿