41 铌 火箭发动机的元素

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41 铌火箭发动机的元素

2018/12/5
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Author: Peng Li1,725views　■

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 ³
熔点	2468°C
沸点	4742°C
色・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、粒子加速器和粒子
 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镍合金的形态，用于生产镍、铬和铁基高温合金。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%、钼3.1%、钛0.9%以及铝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。由于冷战和太空竞赛的缘故，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或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500磅C-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-钛和铌-锡合金，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。铌酸锂、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的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铂。

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%锆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

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