Nb在元素周期表排列41位,與V同屬于第三副族。都說結構決定性質,性質決定用途,那么先來介紹一下Nb原子的結構,它最外層電子結構4d45S1,與V的最外層電子比有一個差異,3d34S2 ,可以到V最外層4S有2個電子,而Nb最外層5S只有1個電子。另外Nb要比V多一個電子殼,所以它的原子半徑要比V大,而V與Fe半徑基本相同。與V相同,它失去5個電子后會形成最穩定5價化合物。
那么,鈮來自哪里呢?自然界中Nb基本與同族Ta共生,鈮鐵礦,(Fe,Mn)(Nb,Ta)2O6,鈳鉭鐵礦((Fe,Mn)(Ta,Nb)2O6),目前全球最大的Nb精礦位于巴西米納斯吉拉斯州,另外一個礦位于戈亞斯,這兩個礦占了全球Nb礦供應75%的市場份額。
鈮元素日常大家都很少見到,它主要出現于如下行業:
1.鋼鐵行業:鈮的氧化物--氧化鈮80%~90%都被消耗在鋼鐵行業中,氧化鈮作為一種添加劑與鐵礦石一起融化,脫氧,脫碳,脫氮等雜質元素。Nb鋼鐵摻雜性價比最高的一種微量元素,普通鋼的屈服強度在250Mpa左右,而添入0.05%的Nb后其強度可以達到是350~800Mpa,換做其它元素沒有如此明顯的效果。Nb可以與鋼鐵中的雜質元素C,N,S結合形成穩定的化合物,,使鋼的微晶更加分散,均勻,從而提高了材料整體的韌性。同時也降低了材料的脆性轉變溫度,使鋼鐵的焊接性能有明顯提高。如下圖可以看到在含有Nb的Fe-C-Mn鋼材中,摻入Nb后,最終的鐵素體晶相更加細小。
Nb摻雜鋼帶來的成本節約是非常明顯的,同等目標強度條件下可大幅削減鐵礦的應用,同時還可以使結構變的更輕,進一步降低了整體使用成本。
2.電子行業:目前全球高端的電容幾乎都被鉭電容囊括,其高的介電常數27幾乎是鋁的四倍多,由于鉭電容穩定性佳, 因此成為嚴苛的環境電容的首選。然而氧化鈮電容出現打破了鉭電容在高端電容的壟斷地位,氧化鈮在作為電容具有更加明顯的優勢:它介電系數更高,更耐熱阻燃。氧化鈮電容還有一個自愈特性,這種性能會使其信賴性壽命大大提高。目前氧化鈮電容難以量產的原因在于高純鈮粉的獲得,如前面提到,目前80%的鈮都用于鋼鐵行業,鈮電容目前面臨的問題是如何與鋼鐵行業公用一個供貨系統。
鉭鈮和鈮氧化物粉末參數一覽表
隨著電子產業的發展,氧化鈮電容或許會成為另外一個高附加值的應用行業。
3.超導行業:目前具有超導效應的金屬中鈮金屬是最高的一個元素,1973年鈮鍺合金的超導溫度提到到23.3K,該記錄一直保持了13年,直到1986一種氧化物的將超導溫度提高了35K,
隨后氧化物超導呈現脈沖式爆發,隨后在1987全球260多個研究小組投入研究,超導溫度被迅猛拉升至40K,53K,100K,甚至有團隊宣傳在240K(-30℃),很快日本鹿兒島大學開發出了287K(室溫14℃),這堪稱技術史上的奇跡,現在回頭看看,氧化物雖然可以推高超導溫度,但是其配比,穩定性仍不如鈮鍺合金穩定。
4.生物醫療:金屬鈮具有非常優良的親生物性,因此鈮線可以用來縫合神經以及肌腱,鈮可以用來制作人工關節,甚至可以用來替代骨頭,肌肉可以附著在鈮表面生長。主要是應為它有極好的抗腐蝕性,不會與人體發生反應。
粉體圈 青鳥飛魚
作者:粉體圈
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