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41 铌 火箭发动机的元素

本文作者 漂泊

铌是一种重要的金属元素,金属铌常被用来作为合金添加剂改进钢铁的性能,也用于制造各种用在发动机上的耐高温合金。铌还可以用于核反应堆。铌的化合物也具有重要的工业用途,如铌酸锂则被用来制作压电材料。

铌的基本物理性质

分类 第ⅤB族▪金属
原子序号原子量 92.906(41)
电子配置 4d35s2
密度 8570kg / m 
熔点 2468°C
沸点 4742°C
形状 灰白色金属
丰度 20ppm(地壳)
发现者 Charles Hatchett
主要的同位素 93Nb
用途例 高温合金,超导材料,压电材料
前后的元素 锆-铌-钼

铌的发现及其性质

1801年,英国化学家Charles Hatchett在大英博物馆考察矿石时,被一个标签为columbite(钶铁矿)的样本激起了兴趣,该矿石样是美国康涅狄格州的John Winthrop于1734年送来的。他发现从这种矿物中分离出来的化合物含有未知金属的氧化物,因此他推测该样品中含有一种新的金属。由于这种矿物是来自于哥伦布发现的美国,为了纪念它的产地,Hatchett把这种矿石命名为Columbite(钶矿),把其中的新元素命名其为Columbium(钶——铌元素的旧称)。

很多人对则对钶持怀疑态度,尤其是在接下来的一年发现了钽之后。钶和钽的性质极为相似,这些金属在大自然中一起出现,而且很难分离。1809年,英国化学家威廉·海德·沃拉斯顿(William Hyde Wollaston)对钶和钽的氧化物进行比较,得出两者的密度分别为5.918g/cm及超过8g/cm。虽然密度值相差巨大,但他仍认为两者是完全相同的物质。另一德国化学家海因里希·罗泽(Heinrich Rose)驳斥这一结论,并称原先的钽铁矿样本中还存在着另外两种元素。他以希腊神话中坦塔洛斯的女儿尼俄伯(Niobe,泪水女神)和儿子珀罗普斯(Pelops)把这两种元素分别命名为“Niobium”(铌)和“Pelopium”。钽和铌的差别细微,而因此得出的新“元素”Pelopium、Ilmenium和Dianium实际上都只是铌或者铌钽混合物。

1844年,德国化学家Heinrich Rose证明了钶铁矿包含了这两种元素,他把Columbium(钶)重新命名为Niobium(铌)。“Columbium”(钶,符号Cb)是Hatchett对新元素所给的最早命名。这一名称在美国一直有广泛的使用,而“铌”则在欧洲通用。1949年在阿姆斯特丹举办的化学联合会第15届会议最终决定以“铌”作为第41号元素的正式命名。翌年,国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)也采纳了这一命名,结束了一个世纪来的命名分歧。

1864年,克利斯蒂安·威廉·布隆斯特兰(Christian Wilhelm Blomstrand)、亨利·爱丁·圣克莱尔·德维尔和路易·约瑟夫·特罗斯特(Louis Joseph Troost)明确证明了钽和铌是两种不同的化学元素,并确定了一些相关化合物的化学公式。瑞士化学家让-夏尔·加利萨·德马里尼亚(Jean Charles Galissard de Marignac)在1866年进一步证实了除钽和铌以外别无其他元素。

1864年,德马里尼亚在氢气中对氯化铌进行还原反应,首次制成铌金属。虽然他在1866年已能够制备不含钽的铌金属,但要直到20世纪初,铌才开始有商业上的应用:电灯泡灯丝。铌很快就被钨淘汰了,因为钨的熔点比铌更高,更适合作灯丝材料。1920年代,人们发现铌可以加强钢材,这成为铌一直以来的主要用途。贝尔实验室的尤金·昆兹勒(Eugene Kunzler)等人发现,铌锡在强电场、磁场环境下仍能保持超导性,这使铌锡成为第一种能承受高电流和磁场的物质,可用于大功率磁铁和电动机械。这一发现促使了20年后多股长电缆的生产。这种电缆在绕成线圈后可形成大型强电磁铁,用在旋转机械、粒子加速器粒子
探测器当中。[1-10] 

铌铁矿                                                    单质铌

 

重要的钢铁合金化元素

铌最重要的用途是加工制造各种铌合金以及作为钢材的添加剂。在钢的各种微合金化元素中,铌是最有效的微合金化元素,在钢中加入0.001%—0.1%的铌,就足以改变钢的力学性能。铌作为微合金化元素加入钢中并不改变铁的结构,而是与钢中的碳,氮,硫等元素结合,改变钢的显微结构。通过细晶强化和弥散强化,铌能和钢中的碳氮生成稳定的碳化物和碳氮化物。同时还能使碳化物分散并形成具有细晶化的钢。这可以极大的增强钢材的强度。例如:当加入0.1%的铌时,钢的屈服强度便能提高118MPa,实际上钢中只需加入0.03%—0.05%Nb,钢的屈服强度便可提高30%以上。而钢的成本每吨仅增1美元。普通中碳钢的屈服强度一般为250MPa,加入微量铌可使强度提高到350—800MPa 。

铌还可以通过诱导析出和控制冷却速度,实现析出物弥散分布,从而在较宽的范围内调整钢的韧性水平。因此,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。此外,铌还能降低钢脆性转变温度,获得好的焊接性能和成型性能。[11] 

铌钢

高温合金材料

铌具有很高的熔点,世界上很大一部份铌以纯金属态或以高纯度铌铁和铌合金的形态,用于生产镍、和铁基高温合金。这些合金可用于喷射引擎、燃气涡轮发动机、火箭组件、涡轮增压器和耐热燃烧器材。铌在高温合金的晶粒结构中会形成γ相态。这类合金一般含有最高6.5%的铌。

Inconel 718合金是其中一种含铌镍基合金,各元素含量分别为:镍50%、铬18.6%、铁18.5%、铌5%、3.1%、钛0.9%以及0.4%。可以作为高端机体材料,曾用于双子座计划

C-103是一种铌合金,它含有89%的铌、10%的铪和1%的钛,可用于液态火箭推进器喷管,例如阿波罗登月舱的主引擎。C-103合金是1960年代初由华昌公司和波音公司共同研发的铌合金。由于冷战太空竞赛的缘故,杜邦美国联合碳化物通用电气等多个美国公司都在同时研发铌基合金。铌和氧容易反应,所以生产过程需在真空惰性气体环境下进行,这大大增加了成本和难度。真空电弧重熔(VAR)和电子束熔炼(EBM)是当时最先进的生产过程,促使了各种铌合金的发展。1959年起,研究项目在测试了“C系”中共256种铌合金后,终于制得了C-103。这些合金都可熔化成颗粒状或片状。拥有103成份比例的Nb-10Hf-1Ti合金(C-103合金)在可模锻性和高温属性之间有着最佳的平衡,因此华昌于1961年利用VAR和EBM方法生产了首批500C-103合金,应用于涡轮引擎部件和液态金属换热器

阿波罗服务舱则使用的则是另一种铌合金。由于铌在400°C以上会开始氧化,所以为了防止它变得易碎,须在其表面涂上保护涂层。

由于铌的热导率好,熔点高,耐腐蚀性好,并且中子俘获截面低,所以也非常适合用于原子能反应堆。铌在原子能工业的主要用途包括:核燃料的包套材料、核燃料的合金、核反应堆中热交换器的结构材料。[12-16]


火箭发动机

核反应堆

 

超导材料

超导材料是目前非常热门的研究领域。超导材料是指在特定温度下电阻会降为零的材料。通常超导材料的临界温度都是极低的温度,获得较高温度乃至室温的超导材料具有非常重要的意义。具有超导性能的金属有很多,铌是其中临界温度最高的一种。铌的一些化合物和合金也具有较高的超导转变温度,因而被广泛用于制造各种工业超导体,如超导发电机、加速器大功率磁体、超导磁储能器、核磁共振成像设备等。目前,最重要的超导体材料是铌-和铌-合金,被广泛应用于医学诊断的磁振图象仪和用于谱线(分析)的核磁共振仪。[17]

 

铌的其他工业用途

铌的很多化合物也有很广泛的用途。铌酸锂是一种电铁性物质,铌酸盐陶瓷可用于制作电容器,在手提电话和光调变器中以及表面声波设备的制造上有广泛的应用。铌酸、铌酸钾的单晶则是新型光电子学和电子学用晶体,具有良好的压电、热电和光学性质,被广泛应用到红外线、激光技术和电子工业中。此外,由于铌的熔点高,发射电子能力强,也用于制作电子管及其它电真空器件。

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。此外,铌酸也是一种重要的催化剂。铌也被应用到铸造行业,它能形成坚硬的碳化物,因而常被用于制造汽车的汽缸盖、活塞环和刹车片等。此外,铌有时会与金和银一起用在纪念币上,币上美丽的颜色是阳极化过程形成的氧化物表层衍射所产生的。铌(或掺有1%锆)还是高压钠灯电弧管的密封材料,因为铌的热膨胀系数与经烧结矾土弧光灯陶瓷材料非常相近。这种用于钠灯的陶瓷可以抵御化学侵蚀,也不会与灯内的高温钠液体和气体产生还原反应。铌也被用在电弧焊条上,用来焊接某些稳定化不锈钢。一些大型水箱的阴极保护系统中以铌作为阳极的材料,阳极一般再镀上一层

铌也有助于增加镜片透光性能,因而也被应用到光学行业镜片的制造中。它也可应用到照明行业,如铌与1%的合金可用于制作高效高强钠蒸气街灯的精密支架,使这些小部件具有高的热强性、优良的成形性和耐钠蒸气腐蚀的性能。

压电陶瓷含铌的纪念币                                     光学镜片

 

参考文献

 

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Peng Li

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