工業(yè)“高級滋補(bǔ)品”

文圖/袁潔

很多人都去眼鏡店配過眼睛，營業(yè)員一定會給大家推薦純鈦、B鈦、記憶鈦等多種以鈦金屬為主的鏡架，因?yàn)樗哂谐p、耐腐蝕、抗過敏、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。鈦，就是一種離我們?nèi)粘Ｉ詈芙南∮薪饘?。其?shí)，稀有金屬真正大展身手的地方是在工業(yè)領(lǐng)域。如果說鋼鐵是工業(yè)的糧食，那么，稀有金屬就可以說是工業(yè)的高級滋補(bǔ)品了。

隨著我國工業(yè)和科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化發(fā)展步伐的加快，稀有金屬的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，在尖端科學(xué)技術(shù)部門發(fā)揮著關(guān)鍵性作用。有了它，航天、軍工和精密儀器制造業(yè)就能如虎添翼，更上一個(gè)臺階。目前，世界各國都把稀有金屬當(dāng)作增強(qiáng)國防實(shí)力、體現(xiàn)技術(shù)工藝水平、發(fā)展生產(chǎn)力的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)而倍加重視和保護(hù)，那么，稀有金屬究竟有哪些神奇的應(yīng)用？它是從哪里來的？一起來聽聽專家是怎么說的吧！

稀有金屬從何處來？

最新研究認(rèn)為，有色稀有金屬和貴金屬都來自遠(yuǎn)古時(shí)期的隕石，而不是來自地球本身。在38億年至40億年前的原始地球上，曾遭到非同尋常的大規(guī)模隕石雨的撞擊，估計(jì)有2000億億噸隕石被“嵌入”到早期的地殼中，從此有了用途迥異的稀有金屬，這些金屬在地球的地質(zhì)演化過程中，可能隨著時(shí)間的推移被吸收到地幔中。在各種地質(zhì)的作用下，分散在地殼上和地幔中的稀有金屬元素相對富集而形成礦床的過程，被稱為“成礦作用”。

稀有金屬是在自然界中儲量、分布稀少，或難以被人類應(yīng)用的一類元素的總稱。稀有金屬常用來制造特種金屬材料，如特種鋼、合金等，在飛機(jī)、火箭、原子能等工業(yè)領(lǐng)域也屬于關(guān)鍵性材料。其實(shí)，稀有金屬也是一個(gè)相對的概念，隨著人類對它們的研究愈加深入，加之新產(chǎn)源及新提煉方法的發(fā)現(xiàn)以及它們應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，稀有金屬和其他金屬的界限也會逐漸消失。

鈦：并不稀有的“稀有”金屬

元素檔案

鈦屬于稀有金屬，但實(shí)際上鈦并不稀有，其在地殼中的豐度位列第七位，含量為0.45%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于許多常見金屬。那為什么它還要“擠”在稀有金屬的行列里呢？這是由于鈦的性質(zhì)活潑，對冶煉工藝要求高，使得人們長期以來無法制得大量的鈦，因而，它才被歸入“稀有”的行列。近年來，隨著鈦在現(xiàn)代技術(shù)中的應(yīng)用日益廣泛，產(chǎn)量增多，有時(shí)，它也會被列入輕金屬。鈦的元素符號為Ti，原子序數(shù)為22。鈦的耐熱性很好，熔點(diǎn)高達(dá)1725℃。在常溫下，鈦甚至可以安然無恙地躺在各種強(qiáng)酸強(qiáng)堿的溶液中，就連最兇猛的酸—王水，也不能奈何得了它。

尖端應(yīng)用

當(dāng)前，由于鈦和鈦的合金被大量用于航空工業(yè)，因此它也有“空間金屬”之稱。不過，在造船工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、制造機(jī)械部件、電信器材、硬質(zhì)合金等方面，鈦也有著日益廣闊的應(yīng)用。鈦的硬度與鋼鐵差不多，但它的重量幾乎只有同體積鋼鐵的一半，并且鈦沒有磁性，用鈦建造的核潛艇不必?fù)?dān)心被磁性水雷攻擊。早在第二次世界大戰(zhàn)期間，德國就造出了鈦鋼U型潛艇，橫行于大西洋。我國也于20世紀(jì)80年代研發(fā)了Ti80鈦合金，用于制造深潛器和潛艇的耐壓殼體，具有高強(qiáng)、高韌、耐蝕、可焊等優(yōu)異性能。此外，我國還成功研制出了一批性能優(yōu)異的鈦合金，如Ti31鈦合金，工作環(huán)境為高溫海水或常溫高速海水，可耐180℃高溫腐蝕。

鉭：制造的小電容有大用處

鉭是由瑞典化學(xué)家埃克貝里在1802年發(fā)現(xiàn)的，按希臘神話人物坦塔羅斯的名字命名，元素符號為Ta，原子序數(shù)73，為鋼灰色金屬。鉭的硬度較低（與其含氧量有關(guān)），但是它的熔點(diǎn)高達(dá)2980℃。

目前，世界上一半產(chǎn)量的鉭都被用在生產(chǎn)鉭電容上。鉭電容器的工作介質(zhì)是在鉭金屬表面生成的一層極薄的五氧化二鉭膜。鉭電容是一種體積小而又能達(dá)到較大電容量的產(chǎn)品，多裝備到軍用設(shè)施中。金屬鉭還可用作飛機(jī)發(fā)動機(jī)燃燒室的結(jié)構(gòu)材料。鉭鎢、鉭鎢鉿、鉭鉿合金還被用作火箭、導(dǎo)彈和噴氣發(fā)動機(jī)的耐熱高強(qiáng)材料以及控制和調(diào)節(jié)裝備的零件等。

銫：定義新一代時(shí)間計(jì)量基準(zhǔn)

如今在人們的日常生活中，時(shí)間精確到秒已不夠用，比如百分之一秒的差別將決定田徑運(yùn)動員的勝負(fù)，炮彈的發(fā)射精度需要達(dá)到千分之一秒，雷達(dá)甚至需要百萬分之一秒的時(shí)間精度值。因此，必須不斷提升時(shí)間計(jì)量的精確度。銫是一種堿金屬，元素符號是Cs，原子序數(shù)為55，由發(fā)現(xiàn)者羅伯特等以拉丁文“coesius”（意為天藍(lán)色）命名。銫的顏色為金色，質(zhì)地非常軟，熔點(diǎn)低，一般28.44℃時(shí)即會熔化，也就是說，用手隔著玻璃管就能將其熔化。

激光冷卻銫原子噴泉鐘正是利用銫原子熔點(diǎn)低的特點(diǎn)，用六束激光將氣室中的銫原子捕獲，冷卻到幾μK（溫度的國際單位“開爾文”，用K表示），然后將冷卻后的銫原子上拋，上拋的銫原子經(jīng)微波腔時(shí)與微波發(fā)生一次相互作用，當(dāng)銫原子上升到最高點(diǎn)回落時(shí)經(jīng)過同一微波腔，又一次與微波發(fā)生相互作用，構(gòu)成一次躍遷振蕩。銫原子的躍遷振蕩具有極佳的穩(wěn)定性和精確度，據(jù)此，定義一個(gè)原子秒的時(shí)間長度為銫原子躍遷91.9億次的時(shí)間長，就形成新一代的時(shí)間計(jì)量基準(zhǔn)。根據(jù)這一原理制造的銫原子噴泉鐘，精度可達(dá)運(yùn)行3000萬年都不出現(xiàn)1秒的誤差。

錸：助力神舟飛船上天

錸的元素符號是Re，原子序數(shù)75，常溫下的錸為銀白色的金屬或灰至黑色的粉末。錸的熔點(diǎn)為3180℃，沸點(diǎn)為5627℃。金屬錸非常硬，耐磨也耐腐蝕。錸的價(jià)格昂貴，因此在應(yīng)用上多被制成合金。其中，尤以鎢錸和鉬錸合金的用途最廣。

含錸的合金可耐高溫，是制造航空發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵金屬；也被用來制造電燈絲、人造衛(wèi)星和火箭的外殼、原子反應(yīng)堆的防護(hù)板等。錸及其合金可制作高溫?zé)犭娕?，鎢錸熱電偶在3100℃也不軟化。在鎢或鉬合金中加25%的錸，可增加材料的延展性能?；鸺?、導(dǎo)彈上會用錸作高溫涂層，宇宙飛船用的儀器和高溫部件也都要用到錸。此外，錸還在醇類脫氫、合成氨等化工生產(chǎn)中作為催化劑使用。隨著中國軍工發(fā)展的重心轉(zhuǎn)移至?？辗较颍磥砗娇瞻l(fā)動機(jī)、無人機(jī)和高速飛行器等領(lǐng)域?qū)⑦M(jìn)一步發(fā)展，錸的戰(zhàn)略價(jià)值將更為凸顯。

鎢：當(dāng)之無愧的戰(zhàn)略金屬

鎢的元素符號是W，原子序數(shù)74，熔點(diǎn)很高，為3410℃。我國的鎢儲量居世界第一，占全球供應(yīng)量的85%。鎢主要用于生產(chǎn)硬質(zhì)合金、特種鋼等產(chǎn)品，并被廣泛應(yīng)用于國防工業(yè)、航空航天、信息產(chǎn)業(yè)，被稱為“工業(yè)的牙齒”。如果一個(gè)國家沒有鎢的話，在目前的技術(shù)條件下，其金屬的加工能力就會出現(xiàn)明顯的頹勢，所以，鎢被稱為“戰(zhàn)略金屬”當(dāng)之無愧。

由于鎢能耐高溫，所以鎢合金被大量用于機(jī)械、武器制造。比如，火炮身管等特種零部件，需要鎢合金材料加強(qiáng)耐燒蝕性能，提高火炮壽命。從攻擊角度看，制作穿甲彈的彈丸，必須使用比坦克裝甲更硬的高密度合金鋼、碳化鎢等材料。從防御角度看，由于鎢沒有放射性，化學(xué)性能也非常穩(wěn)定，甚至在1000℃以上的高溫下也不會被氧化，并且硬度沒有明顯下降，因此制成的防彈裝甲對防御破甲彈的高溫金屬射流十分有利（高溫金屬射流是指炮彈攻擊部分被火藥在高溫下化成液態(tài)，并在高壓下被噴出形成的射流）。此外，由于鎢的硬度極高，加入鎢后，鋼的硬度也會有極大的提高。因此，目前它還主要用于生產(chǎn)鋼鐵的金屬合金。