书城科普读物神奇的新材料(海洋与科技探索之旅)
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第43章 稀有金属

稀有金属的“稀有”称谓是历史原因造成的。一些稀有金属由于在地壳中比较分散,或其矿物没有特别引人注目的特征,因而被人们发现较迟,研究较少;某些稀有金属则由于制取较困难,其生产和应用都较迟,这些在历史上就给人们形成了“稀有”的印象。但随着科学技术的发展,人们对稀有金属的研究、生产、应用日益增加。对某些稀有金属而言,“稀有”二字已失去了其原有的含义,也有许多稀有金属被划入普通金属之列。

稀有金属具有各种优良性质,因而在国民经济各部门及近代科学技术各领域中(如航天、能源、电子、化工等)都占有日益重要的地位。在有些领域中,稀有金属材料的应用甚至成为促进该领域在某一阶段发展的主要因素之一。在航空及航天技术中,由于密度小、高温强度大的钛材的应用,才使制造宇宙飞行器及马赫数较大的超音速飞机成为可能。

此外,在医疗、激光、超导、航海、农业等各个领域无不使用稀有金属及其化合物。

常见的稀有金属主要有以下几类:

.锂锂是最轻的金属,其密度仅为0.54克/立方厘米左右,熔点低,约180℃,化学性质活泼,必须保存在煤油等介质中。锂在工业中有不少独特的应用效果。

在铝电解槽中添加碳酸锂等锂盐后,每吨铝可节电400~500千瓦·时,并明显减少了阳极材料及电解质的消耗量,提高了铝的纯度。

锂可用在制造微晶玻璃(可用于制造耐热炊具)、黑白电视显像管、绝缘泡沫玻璃等方面,添加微量氧化锂可降低玻璃熔制温度及膨胀系数,并能降低能耗。

锂基润滑脂具有独特的润滑性能,工作温度范围宽(-60~200℃),安定性和抗水性好,使用寿命长,应用广泛。

性能优异的手机锂电池是锂的一个典型应用:锂具有最小的电化学当量值,1克锶可放出3.83安·时的电;锂的电阻低,有利于电极集流;锂的密度小,有利于获得较高的比能量;锂的化学活性大,活性物质的利用率高。所有这些决定了其所制的电池具有质量轻、体积小、储电量大、充电速度快电池不易产生记忆等特点。

.钨钨是熔点最高(约3400℃)的纯金属,常温下在任意浓度的盐酸、硫酸、硝酸、氢氟酸、王水及碱中都是稳定的。但钨在室温时处于冷脆状态,使其加工遇到困难;同时,在空气中加热到高温时易氧化,限制了它的扩大应用。在钨中加入合金则可明显提高强度、塑性及抗氧化性。在1900℃时钨合金的强度可达440兆帕,而其他金属则早已熔化,故钨合金可作为高温结构材料,如制造喷气发动机喷嘴、进出口套管及飞船发动机推进器等。

高速工具钢是添加了较多钨的高碳合金钢(如W18Cr4V),其耐热性、耐磨性及强韧性比一般工具钢优异得多,广泛用于制造高速切削工具如车刀、麻花钻、铣刀等。

常用的硬质合金中含有较多高硬度、高熔点、高耐磨的碳化钨,在1000℃左右仍保持很高的硬度和耐磨性,比高速钢更耐磨更耐热,其刀具的切削速度可提高到200米/秒左右。

用粉末冶金法制取的钨铜合金(含10%~40%Cu)和钨银合金,兼有铜银的高导电性和钨的耐磨性,是制造刀型开关、断路器、点焊电极等的理想触点材料。含90%~95%W、1%~6%Ni和1%~4%Cu的合金密度达17~19克/立方厘米,称为高密度合金,用于制造陀螺仪的转子、飞机操纵舵的配重、火箭发动机喷管和截获放射性物质的安全屏以及装放射性物质的容器。

金属钨丝、薄带以及致密金属钨零件厂泛用于电照明和电子工业。钨丝是白炽灯灯丝的理想材料,因为它的工作温度高(约2200~2500℃),发光效率高,蒸发速度低,寿命长。钨丝还作为电子管的热阴极和栅极、高压整流管的阴极和各种仪器中的间接加热阴极的加热器;钨也可以作为X射线管的靶子、气体放电管、各种电器触点以及钨极氩弧焊的电极,还用做高温炉的发热元件,其工作温度达3000℃以上。

钨酸作为吸收剂,在纺织工业中也可用做媒染剂和染料。二硫化钨既可作为合成汽油的催化剂,又可作为固体润滑剂。偏钨酸铵用以制造催化剂、核屏蔽材料、缓蚀剂等。

.锆和铍锆是类似于钛的易钝化的高熔点金属(熔点达1800℃),具有类似于钛的耐蚀性,并且具有很低的慢中子吸收截面,是原子能工业中的重要结构材料。也常作为钢铁及有色金属冶炼的合金元素。氧化锆与铁不润湿,可作为钢铁冶炼用的特种耐火材料。

铍比铝更轻,密度为1.848克/立方米,其刚度则高于钢。铍合金的屈服强度达到一般低碳钢、低合金钢的水平,具有比钢高得多的比强度和比刚度,并在高温下也能保持较高的强度和刚度,已用做卫星结构件、核工业上中子减速荆、X射线设备的X光管窗盖(利于X光的穿透)。氧化铍陶瓷则有良好导热性,可用做特殊场合的散热器。