稀有金属材料与工程投稿(稀有金属材料与工程是几区sci)

地质运动与天体撞击,使地球蕴藏了丰富的金属。人类对金属的发现与使用,具有划时代的意义:从石器时代到青铜时代、再到铁器时代,生产力翻了好几番,而人类进入工业时代后,金属就像元素周期表上那样迎来了大爆发式的应用。这其中能支撑人类开启宇航时代的,则离不开锂、铍、钛这三种轻且坚韧的金属元素,那么这三种金属有何属性优势,能够开启人类飞天时代的呢?

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能支撑人类开启宇航时代的,则离不开锂、铍、钛这三种轻且坚韧的金属元素。

锂:“稀有金属”并不稀有

首先拿锂来说,金属锂为一种银白色的轻金属,熔点为180.54°C,沸点1342°C,硬度0.6,质较软,可用刀切割,其密度为0.534克/厘米3,比所有的油和液态烃都小,是最轻的金属,故应存放于固体石蜡或者白凡士林中(在液体石蜡中锂也会浮起)。锂与其它碱金属不同,在室温下与水反应比较慢,但却能与惰性气体氮气反应生成黑色的一氮化三锂晶体;锂的弱酸盐都难溶于水,却可溶于液氨

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锂是已知元素(包括放射性元素)中金属活动性最强的,可做铅基合金与镁、铝可以形成极硬的低密度合金。

锂是已知元素(包括放射性元素)中金属活动性最强的,其挥发性盐的火焰呈深红色,可用此来鉴定锂。至于锂的用途,由于它很容易与氧、氮、硫等化合,在冶金工业中用作脱氧剂;还可做铅基合金与镁、铝可以形成极硬的低密度合金,具有“硬、轻、抗腐蚀”的特点,被用于宇宙航天器零件的制造;还有锂优异的核性能,在原子能工业中有重要用途,被称为“高能金属”。

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用锂电池发电来开动汽车,行车费只有普通汽油发动机车的1/3。

当然最为人熟知的便是锂电池,它以开路电压高,比能量高,工作温度范围宽,放电平衡,自放电子等优点,已被广泛应用于各种领域,是很有前途的动力电池。用锂电池发电来开动汽车,行车费只有普通汽油发动机车的1/3。由锂制取氚,用来发动原子电池组,中间不需要充电,可连续工作20年。要解决汽车的用油危机和排气污染,重要途径之一就是发展像锂电池这样的新型电池。

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已知含锂的矿物有150多种,其中主要有锂辉石、锂云母、透锂长石及磷铝石矿等。

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至于锂的自然储量,虽然号称“稀有金属”,但它在地壳中的含量不算“稀有”,地壳中约有0.0065%的锂,其丰度居第二十七位,已知含锂的矿物有150多种,其中主要有锂辉石、锂云母、透锂长石及磷铝石矿等,储量约为1100万吨,可开采储量410万吨。据统计,2004年世界锂开采量为20200吨,其中智利开采7990吨,澳大利亚3930吨,中国2630吨,俄罗斯2200吨,阿根廷1970吨。

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另外海水中锂的总储量达2600亿吨,但可惜浓度太小,难以提炼,其他含有丰富锂资源的便是盐湖。一提起盐湖,大家总会联想到苦涩的卤水。实际上,盐湖的湖水矿化度相当大,它比海水更苦更涩,有的甚至都没有水,直接形成了干盐滩。盐湖中储存有一百多种盐类矿物,包括石盐、石膏、天然碱等常见盐类矿物,以及硼、锂、溴、铷、锶、钡、铀等价值很高的稀有盐类,是散落在大地上的小型“聚宝盆”。

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盐湖中储存有一百多种盐类矿物,包括盐类矿物,以及硼、锂、溴、铷、锶、钡、铀等价值很高的稀有盐类。

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位于西藏自治区日喀则市仲巴县隆格尔区仁多乡境内的扎布耶茶卡,是世界第三大、亚洲第一大锂矿盐湖。

比如扎布耶茶卡(藏语中,“湖”被称为“错”,“茶卡”即盐池)就是一个富含锂的盐湖,位于西藏自治区日喀则市仲巴县隆格尔区仁多乡境内,是世界第三大、亚洲第一大锂矿盐湖,已探明的锂储量为184.10万吨,其锂的品味位居世界第二位(卤水含锂浓度仅次于智利阿塔卡玛盐湖),中国第一位,是富含锂、硼、钾固、液并存的特种综合性大型盐湖矿床。

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扎布耶茶卡已探明的锂储量为184.10万吨,其锂的品味位居世界第二位。

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扎布耶茶卡具有世界独一无二的天然碳酸锂固体资源和高锂贫镁、富碳酸锂的特点

扎布耶茶卡具有世界独一无二的天然碳酸锂固体资源和高锂贫镁、富碳酸锂的特点,卤水已接近或达到碳酸锂的饱和点,易于形成不同形式的天然碳酸锂的沉积,因而具有比世界同类盐湖更优的资源,被我国盐湖专家郑绵平院士评价为“用斗量金的金湖”。实际上,扎布耶茶卡已经用于工业开发,并不对外开放,知道它的本地人都极少。目前扎布耶锂精矿的年产能为5000吨左右。2019年中报报告期公司生产工业级碳酸锂473.30吨、氢氧化锂581.284吨、电池级碳酸锂78.03吨。

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柴达木盆地的东、西台吉乃尔湖、一里坪湖、大柴旦湖4个盐湖的锂资源就占到了中国盐湖锂资源总量的63%。

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青海的柴达木盆地,这里四分之一的面积由干盐滩和盐湖覆盖。

当然除了扎布耶茶卡这些西藏的高原盐湖,还有青海的柴达木盆地,这里四分之一的面积由干盐滩和盐湖覆盖,而东、西台吉乃尔湖、一里坪湖、大柴旦湖4个盐湖的锂资源就占到了中国盐湖锂资源总量的63%。当前青海省正在大力推动千亿规模的锂电产业,加上钾、硼等资源的综合利用…。格外一提的是2018年中国国家天文台依托郭守敬望远镜发现一颗锂元素含量约是同类天体的3000倍,绝对锂丰度高达4.51的恒星,这是人类已知锂元素丰度最高的恒星。

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大柴旦湖又名大柴达木湖,在第四纪时期与小柴旦湖属同一大湖,后因气候变干,湖泊退缩,演变为独立湖泊。

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大柴旦湖属于硫酸镁亚型盐湖,湖水中硼、锂含量较高,是我国富硼盐湖之一。

铍:酸碱两性硬金属

铍(Beryllium)是第二周期第二主族元素原子序数为4,元素符号Be,是一种灰白色的碱土金属,属六方晶系,不但硬度比同族金属高,不像钙、锶、钡可以用刀子切割,而且有延展性。另外铍与锂一样,在空气中能够形成致密的保护性氧化层,故在空气中即使红热时也很稳定,不溶于冷水,微溶于热水,而同族的其它金属如镁、钙、锶、钡均易与水反应。

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铍是最轻的金属之一,主要以铍铜合金和铍金属的形式广泛用于航空、航天和核反应堆。

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美国是世界上最大的铍生产国,占总产量的65%;同时,也是最大的铍消费国,占世界消费总量的66%以上。

铍既能溶于酸也能溶于碱液,属于两性金属,不过铍及其化合物都有剧毒。至于用途铍主要用于原子能反应堆材料,宇航工程材料,各种合金,X射线透射窗等。比如“硬、轻、耐热”的铍铝合金具有很低的热膨胀系数,可以在温度变化剧烈的环境中用作精密零件。

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AH-64阿帕奇以其卓越的性能、优异的实战表现,自诞生之日起,一直是世界上武装直升机综合排行榜第一名。

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AH-64武装直升机现已被世界上13个国家和地区使用,包括日本、中国台湾和以色列。

铍铝合金按铍含量可分为铝基合金和铍基合金:前者铍含量在5%以下,用作冶金添加剂;后者铍含量在60%以上,用作结构材料,像人造卫星太空望远镜上的照相机,以及天线、光学元件的固定构件等。像美国阿帕奇武装直升机上就有58个铍铝合金部件,用来组成精密的电子光学侦测系统。

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目前已知的含铍矿物有30多种,其中仅绿柱石、羟硅铍石、硅铍石具有工业价值。

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花岗伟晶岩型铍矿床仍是铍的主要来源,占铍总储量的82.3%,其余产自接触交代型铍矿床(占7.4%)。

目前已知的含铍矿物有30多种,其中仅绿柱石、羟硅铍石、硅铍石具有工业价值。绿柱石是一种铍铝硅酸盐,其通式为Be3Al2(SiO3)6,理论上含氧化铍近14%。实际上氧化铍含量一般为9~13%;世界铍金属储量44.1万吨。其中,巴西14万吨、印度6.4万吨、俄罗斯5万吨、中国5万吨、阿根廷2.5万吨、美国2.1万吨。花岗伟晶岩型铍矿床仍是铍的主要来源,占铍总储量的82.3%,其余产自接触交代型铍矿床(占7.4%)、火山热液型铍矿床(占5.9%)、云英岩型铍矿床及石英脉型铍矿床(占4.4%)。

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新疆是中国矿产资源最丰富的地区,天然气储量第一、铍资源量第一、蛭石储量第一。

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图为新疆和田县大红柳滩509道班西锂铍多金属矿预查现场

在中国主要集中在新疆和江西,说起来新疆还真是个好地方,不仅有中国最大的沙漠、最大的冰川、最大的泥火山群…,还是中国矿产资源最丰富的地区,天然气储量第一、铍资源量第一、蛭石储量第一…共有10种矿产储量新疆位居全国第一。

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钛是一种银白色的过渡金属,具有金属光泽,有延展性,重量轻、强度高、机械强度大。

钛:天生的航天材料

钛在化学元素周期表中位于第4周期、第IVB族,化学符号Ti,原子序数22,是一种银白色的过渡金属,具有金属光泽,有延展性。密度为4.506-4.516克/立方厘米(20℃),高于铝而低于铁、铜、镍,所以其特点便是重量轻、强度高、机械强度大、耐湿氯气腐蚀。其优良的抗腐蚀性能,不仅不受大气和海水的影响,在常温下,甚至不会被7%以下盐酸、5%以下硫酸、硝酸王水或稀碱溶液所腐蚀,也只有在氢氟酸、浓盐酸、浓硫酸中才可对它起作用。

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钛的强度更是位居金属之首,比起锂、铍来说,钛似乎没那么轻盈,但它的强度却更胜一筹。

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又轻、又韧、又耐高温的钛合金可以说是天生的航天材料。图为锐钛矿石。

此外,钛的强度更是位居金属之首,比起锂、铍来说,钛似乎没那么轻盈,但它的强度却更胜一筹:钛与钢的强度相似,但重量仅为钢的45%;钛比铝重约60%,但钛的强度是铝的二倍还多。新型的钛合金,不但可在600℃或更高的温度下长期使用,在-100℃的低温下,仍旧有很好的韧性而不发脆。所以这种又轻、又韧、又耐高温的钛合金可以说是天生的航天材料。

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飞机的飞行速度大幅提高的同时,飞机表面会加热产生“热障”,温度甚至可达500℃。图为F22

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钛合金的性能足够满足超音速飞机对材料抗腐蚀性、韧性和耐热性的全面要求。图为歼20

因为当飞行从螺旋桨跨越到喷气式,再到如今的超音速时代后,飞机的飞行速度大幅提高的同时,飞机表面会加热产生“热障”,温度甚至可达500℃,此时飞机的材料性能便会大幅下降,从而使飞机结构强度与刚度降低,气动外形发生破坏,甚至引起灾难性的颤振。如果是用比较耐热的铝合金制造机翼,一旦超过200-300℃就会吃不消。而钛合金的性能足够满足超音速飞机对材料抗腐蚀性、韧性和耐热性的全面要求。

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不过钛与锂一样,都被认为是一种稀有金属,但不同的是,锂是因为在自然界的存在太过分散而难以提炼,而钛虽然分布也很分散,但难以提炼的最大难度却是钛在高温下极强的化合能力,很容易就会与氧、碳、氮以及其他许多元素化合。所以在冶炼钛时,空气和水是严格禁止接近的,甚至连冶金上常用的氧化铝坩埚也禁止使用,因为钛会从氧化铝里夺取氧,通常只能利用镁与四氯化钛在惰性气体—氦气或氩气中的相互作用,来提炼钛。

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钛矿石主要有钛铁矿及金红石,广布于地壳及岩石圈之中,由于钛金属的重要性,1956年国家就把钛当作战略金属列入了12年发展规划。目前宝鸡钛材加工装备、技术水平及生产能力均居全国第一,生产能力占全国的60%左右,市场份额占国内钛加工材市场85%,占世界产量的22%,承担着中国90%以上高端钛材产品的生产任务,号称中国钛谷。

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新金属材料更是支撑人类文明进步,走向下一个时代的重要动力之一。

如今世界材料产业的产值以每年约30%的速度增长,化工新材料、微电子、光电子、新能源成了研究最活跃、发展最快、最为投资者所看好的新材料领域。相比之下,新金属材料更是支撑人类文明进步,走向下一个时代的重要动力之一。因为无论是创世史诗中的黄金时代、白银时代,还是上古时期的青铜时代,亦或是古典时期的铁器时代,无一不是人类在探求铸造金属的历程中促使生产力飞越发展。

上期回顾:种子岛现状:世界最美丽的火箭发射基地,日本人征服太空的前哨基地

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