鈮,，化學(xué)符號(hào)Nb，是一種帶光澤的灰色金屬,，具有順磁性,，原子序數(shù)41,，原子量92.90638，屬于元素周期表上的ⅤB族,。1801年英國(guó)C.哈切特從鈮鐵礦中分離出一種新元素的氧化物,，并命名該元素為columbium(中譯名鈳)。熔點(diǎn)2468℃,，沸點(diǎn)4742℃,，密度8.57g/cm³。高純度鈮金屬的延展性較高,，但會(huì)隨雜質(zhì)含量的增加而變硬,。鈮對(duì)于熱中子的捕獲截面很低，因此在核工業(yè)上有相當(dāng)?shù)挠锰帯?/p>

　　鈮在低溫狀態(tài)下會(huì)呈現(xiàn)超導(dǎo)體性質(zhì),。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下,，它的臨界溫度為9.2K，是所有單質(zhì)超導(dǎo)體中最高的,。其磁穿透深度也是所有元素中最高的,。鈮是三種單質(zhì)第II類(lèi)超導(dǎo)體之一，其他兩種分別為釩和锝,。鈮金屬的純度會(huì)大大影響其超導(dǎo)性質(zhì),。鈮對(duì)于熱中子的捕獲截面很低，因此在核工業(yè)上有相當(dāng)?shù)挠锰帯?/p>

　　室溫下鈮在空氣中穩(wěn)定,，在氧氣中紅熱時(shí)也不被完全氧化,，高溫下與硫、氮,、碳直接化合,，能與鈦、鋯,、鉿,、鎢形成合金。不與無(wú)機(jī)酸或堿作用,，也不溶于王水,，但可溶于氫氟酸。鈮的氧化態(tài)為-1,、+ 2,、+3、+4和+5,，其中以+5價(jià)化合物最穩(wěn)定,。

　　鈮金屬室溫下在空氣中是極其穩(wěn)定的，不與空氣作用。雖然它在單質(zhì)狀態(tài)下的熔點(diǎn)較高(2,468°C),，但其密度卻比其他難熔金屬低,。鈮還能抵御各種侵蝕，并能形成介電氧化層,。

　　鈮的電正性比位于其左邊的鋯元素低,。其原子大小和位于其下方的鉭元素原子幾乎相同，這是鑭系收縮效應(yīng)所造成的,。這使得鈮的化學(xué)性質(zhì)與鉭非常相近,。雖然它的抗腐蝕性沒(méi)有鉭這么高，但是它價(jià)格低,，也為常見(jiàn),，所以在要求較低的情況下常用以代替鉭，例如作化工廠化學(xué)物槽內(nèi)涂層物料,。

　　鈮粉,，金屬鈮的粉末，在其表面生成的致密氧化膜具有單向?qū)щ姷拈y金屬性質(zhì),。其氧化物氧化鈮Nb2O5為白色粉末,，純度可達(dá)99.999%，用于生產(chǎn)高純鈮酸鋰晶體和特種光學(xué)玻璃添加劑,。這種陽(yáng)極氧化膜的化學(xué)性能穩(wěn)定,、電阻率高、漏電流小,、介電常數(shù)大,。電容器用鈮粉電性能比電容為3300～3600μF·V/g，漏電流值為1×10-3μA/(μF·V),。采用還原-氫化法,、鈉還原法等制取。用于制造電解電容器及步話機(jī)和一般工業(yè)電器設(shè)備,。

　　鈮的制取

　　金屬鈮可用電解熔融的七氟鈮酸鉀制取,，也可用金屬鈉還原七氟鈮酸鉀或金屬鋁還原五氧化二鈮制取。純鈮在電子管中用于除去殘留氣體,，鋼中摻鈮能提高鋼在高溫時(shí)的抗氧化性，改善鋼的焊接性能,。鈮還用于制造高溫金屬陶瓷,。

　　開(kāi)采所得的礦石要經(jīng)過(guò)分離過(guò)程，使五氧化二鉭(Ta2O5)和五氧化二鈮(Nb2O5)從其他礦物中脫離出來(lái),。加工過(guò)程的首個(gè)步驟是與氫氟酸反應(yīng)：

　　Ta2O5+ 14 HF → 2 H2[TaF7] + 5 H2O

　　Nb2O5+ 10 HF → 2 H2[NbOF5] + 3 H2O

　　讓-夏爾·加利薩·德馬里尼亞發(fā)明了產(chǎn)業(yè)規(guī)模的分離方法,，利用了鈮和鉭的氟化物配合物所擁有的水溶性差異。新的方法則使用類(lèi)似環(huán)己酮的有機(jī)溶劑把氟化物從水溶液中萃取出來(lái)，再用水將鈮和鉭的配合物從有機(jī)溶劑中分別提取,。加入氟化鉀能使鈮沉淀成氟化鉀配合物,，而加入氨則可沉淀出五氧化二鈮：

　　H2[NbOF5] + 2 KF → K2[NbOF5]↓ + 2 HF

　　然后：

　　2 H2[NbOF5] + 10 NH4OH → Nb2O5↓ + 10 NH4F + 7 H2O

　　從化合物到金屬態(tài)的還原方法有幾種。一是對(duì)K2[NbOF5]和氯化鈉的熔融混合物進(jìn)行電解,，二是用鈉對(duì)氟化鈮進(jìn)行還原,。這種方法所得出的鈮金屬具有較高的純度。在大規(guī)模生產(chǎn)中,，則一般使用氫或碳對(duì)Nb2O5進(jìn)行還原,。另一種方法利用鋁熱反應(yīng)，其中氧化鐵和氧化鈮與鋁反應(yīng)：

　　3 Nb2O5+ Fe2O3+ 12 Al → 6 Nb + 2 Fe + 6 Al2O3

　　少量類(lèi)似硝酸鈉的氧化添加劑可以加強(qiáng)以上反應(yīng),。這樣會(huì)產(chǎn)生氧化鋁和鈮鐵合金,，后者可用于鋼鐵生產(chǎn)。鈮鐵一般含有60%至70%的鈮,。如不加入氧化鐵,，鋁熱反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生鈮金屬，不過(guò)要經(jīng)純化過(guò)程才可制成具超導(dǎo)性質(zhì)的高純度鈮合金,。世界最大的兩家鈮經(jīng)銷(xiāo)商所用的方法是真空電子束熔煉,。

　　鈮的應(yīng)用

　　超導(dǎo)應(yīng)用

　　具有超導(dǎo)性能的元素不少，鈮是其中臨界溫度最高的一種,。而用鈮制造的合金,，臨界溫度高達(dá)絕對(duì)溫度十八點(diǎn)五到二十一度，是目前最重要的超導(dǎo)材料,。

　　高溫合金

　　世界上很大一部份鈮以純金屬態(tài)或以高純度鈮鐵和鈮鎳合金的形態(tài),，用于生產(chǎn)鎳、鉻和鐵基高溫合金,。這些合金可用于噴射引擎,、燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭組件,、渦輪增壓器和耐熱燃燒器材,。鈮在高溫合金的晶粒結(jié)構(gòu)中會(huì)形成γ''相態(tài)。這類(lèi)合金一般含有最高6.5%的鈮,。Inconel 718合金是其中一種含鈮鎳基合金,，各元素含量分別為：鎳50%、鉻18.6%,、鐵18.5%,、鈮5%、鉬3.1%,、鈦0.9%以及鋁0.4%,。應(yīng)用包括作為高端機(jī)體材料，如曾用于雙子座計(jì)劃。

　　C-103是一種鈮合金,，它含有89%的鈮,、10%的鉿和1%的鈦，可用于液態(tài)火箭推進(jìn)器噴管,，例如阿波羅登月艙的主引擎,。阿波羅服務(wù)艙則使用另一種鈮合金。由于鈮在400°C以上會(huì)開(kāi)始氧化,，所以為了防止它變得易碎,，須在其表面涂上保護(hù)涂層。

　　鈮基合金

　　C-103合金是1960年代初由華昌公司和波音公司共同研發(fā)的鈮合金,。由于冷戰(zhàn)和太空競(jìng)賽的緣故,，杜邦、美國(guó)聯(lián)合碳化物,、通用電氣等多個(gè)美國(guó)公司都在同時(shí)研發(fā)鈮基合金,。鈮和氧容易反應(yīng)，所以生產(chǎn)過(guò)程需在真空或惰性氣體環(huán)境下進(jìn)行,，這大大增加了成本和難度,。真空電弧重熔(VAR)和電子束熔煉(EBM)是當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的生產(chǎn)過(guò)程，促使了各種鈮合金的發(fā)展,。1959年起,，研究項(xiàng)目在測(cè)試了“C系”(可能取了舊名鈳“Columbium”的首字母)中共256種鈮合金后，終于制得了C-103,。這些合金都可熔化成顆粒狀或片狀,。華昌當(dāng)時(shí)擁有從核級(jí)鋯合金提煉而成的鉿元素，并希望發(fā)展它的商業(yè)應(yīng)用,。C系中擁有所謂103成份比例的Nb-10Hf-1Ti合金在可模鍛性和高溫屬性之間有著最佳的平衡,，因此華昌于1961年利用VAR和EBM方法生產(chǎn)了首批500磅C-103合金，應(yīng)用于渦輪引擎部件和液態(tài)金屬換熱器,。同期的其他鈮合金還有：芬斯蒂爾冶金公司的FS85(Nb-10W-28Ta-1Zr),、華昌和波音的Cb129Y(Nb-10W-10Hf-0.2Y)、聯(lián)合碳化物的Cb752(Nb-10W-2.5Zr)及蘇必利爾管道公司的Nb1Zr,。

　　醫(yī)療應(yīng)用

　　鈮在外科醫(yī)療上也占有重要地位,，它不僅可以用來(lái)制造醫(yī)療器械，而且是很好的“生物適應(yīng)性材料”,。

　　鈮電解電容器沒(méi)有“辜負(fù)”人們的厚望,，它具有很多其他材料比不上的優(yōu)點(diǎn)。

　　它比跟它一般大小的其他電容器“兄弟”的電容量大五倍,，而且非常可靠、耐震,，工作溫度范圍大,，使用壽命長(zhǎng)，已經(jīng)大量地用在電子計(jì)算機(jī),、雷達(dá),、導(dǎo)彈、超音速飛機(jī),、自動(dòng)控制裝置以及彩色電視,、立體電視等的電子線路中。

　　鋼鐵應(yīng)用

　　在鋼的各種微合金化元素中,，廢鈮是最有效的微合金化元素,，鈮的作用如此之大，以至于鐵原子中含有豐富的鈮原子,，就能達(dá)到改善鋼性能的目的,。實(shí)際上鋼中加入0.001%—0.1%的鈮，就足以改變鋼的力學(xué)性能,。例如：當(dāng)加入0.1%的合金化元素時(shí),，提高鋼的屈服強(qiáng)度依次為：鈮118MPa;釩71.5MPa;鉬40MPa;錳17.6MPa;鈦為零。實(shí)際上鋼中只需加入0.03%—0.05%Nb,，鋼的屈服強(qiáng)度便可提高30%以上,。而鋼的成本每噸僅增1美元。例如：普通中碳鋼的屈服強(qiáng)度一般為250MPa,，加入微量鈮可使強(qiáng)度提高到350—800MPa,。

　　鈮作為微合金化元素加入鋼中并不改變鐵的結(jié)構(gòu)，而是與鋼中的碳#氮#硫結(jié)合,，改變鋼的顯微結(jié)構(gòu),。鈮對(duì)鋼的強(qiáng)化作用主要是的是細(xì)晶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化，鈮能和鋼中的碳氮生成穩(wěn)定的碳化物和碳氮化物,。而且還可以使碳化物分散并形成具有細(xì)晶化的鋼,。

　　鈮還可以通過(guò)誘導(dǎo)析出和控制冷卻速度，實(shí)現(xiàn)析出物彌散分布,。在較寬的范圍內(nèi)調(diào)整鋼的韌性水平,。因此，加入鈮不僅可以提高鋼的強(qiáng)度,，還可以提高鋼的韌性,、抗高溫氧化性和耐蝕性!降低鋼脆性轉(zhuǎn)變溫度，獲得好的焊接性能和成型性能

　　電瓷

　　鈮酸鋰是一種電鐵性物質(zhì),，在手提電話和光調(diào)變器中以及表面聲波設(shè)備的制造上有廣泛的應(yīng)用,。它的晶體結(jié)構(gòu)屬于ABO3型,，與鉭酸鋰和鈦酸鋇相同。鈮可以代替鉭電容器中的鉭,，降低成本,，但鉭電容器仍較為優(yōu)勝。

　　錢(qián)幣

　　在錢(qián)幣上,，鈮有時(shí)會(huì)與金和銀一起用在紀(jì)念幣上作貴重金屬,。例如，奧地利自2003年起,，生產(chǎn)了一系列銀鈮歐羅幣,，其顏色是陽(yáng)極化過(guò)程形成的氧化物表層衍射所產(chǎn)生的。2012年,，共有十種中心顏色不同的錢(qián)幣,，共包括藍(lán)、綠,、棕,、紫和黃。另外含有鈮的錢(qián)幣還有2004年的奧地利賽梅林鐵路150周年紀(jì)念幣,，以及2006年歐洲衛(wèi)星導(dǎo)航紀(jì)念幣,。2011年，加拿大皇家造幣廠開(kāi)始鑄造稱(chēng)為“狩獵月”(Hunter's Moon)的5加元純銀和鈮幣,。其中的鈮經(jīng)過(guò)特殊的氧化過(guò)程,，所以沒(méi)有兩件成品是完全一樣的。

　　其他

　　鈮(或摻有1%鋯)是高壓鈉燈電弧管的密封材料,，因?yàn)殁壍臒崤蛎浵禂?shù)與經(jīng)燒結(jié)的礬土弧光燈陶瓷材料非常相近,。這種用于鈉燈的陶瓷可以抵御化學(xué)侵蝕，也不會(huì)與燈內(nèi)的高溫鈉液體和氣體產(chǎn)生還原反應(yīng),。鈮也被用在電弧焊條上,，用來(lái)焊接某些穩(wěn)定化不銹鋼。一些大型水箱的陰極保護(hù)系統(tǒng)中以鈮作為陽(yáng)極的材料,，陽(yáng)極一般再鍍上一層鉑,。

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