鈮化學符號Nb,原子序數為41,是一種過渡金屬元素。鈮單質是一種帶光澤的灰色金屬。高純度鈮金屬的延展性較高,但會隨雜質含量的增加而變硬。鈮對于熱中子的捕獲截面很低,因此在核工業上有相當的用處。鈮能吸收氣體,用作除氣劑,也是一種良好的超導體。舊稱“鈳”。化學符號Nb,原子序數41,原子量92.90638,屬周期系ⅤB族。1801年英國查爾斯·哈切特在研究倫敦大英博物館中收藏的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)。
鈮的應用領域有哪些?
超導應用:人們很早以前就發現,當溫度降低到接近絕對零度的時俟,有些物質的化學性質會發生突然的改變,變成一種幾乎沒有電阻的“超導體”。物質開始具有這種奇異的“超導”性能的溫度叫臨界溫度。不用說,各種物質的臨界溫度是不一樣的。要知道,超低溫度是很不容易得到的,人們為此而付出了巨大的代價;越向絕對零度接近,需要付出的代價越大。所以我們對超導物質的要求,當然是臨界溫度越高越好。
具有超導性能的元素不少,鈮是其中臨界溫度最高的一種。而用鈮制造的合金,臨界溫度高達絕對溫度十八點五到二十一度,是目前最重要的超導材料。人們曾經做過這樣一個實驗:把一個冷到超導狀態的金屬鈮環,通上電流然后再斷開電流,然后,把整套儀器封閉起來,保持低溫。過了兩年半后,人們把儀器打開,發現鈮環里的電流仍在流動,而且電流強弱跟剛通電時幾乎完全相同!從這個實驗可以看出,超導材料幾乎不會損失電流。如果使用超導電纜輸電,因為它沒有電阻,電流通過時不會有能量損耗,所以輸電效率將大大提高。
高溫合金:世界上很大一部份鈮以純金屬態或以高純度鈮鐵和鈮鎳合金的形態,用于生產鎳、鉻和鐵基高溫合金。這些合金可用于噴射引擎、燃氣渦輪發動機、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構中會形成γ相態。這類合金一般含有最高6.5%的鈮。Inconel718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%。應用包括作為高端機體材料,如曾用于雙子座計劃。
鈮基合金:C-103是一種鈮合金,它含有89%的鈮、10%的鉿和1%的鈦,可用于液態火箭推進器噴管,例如阿波羅登月艙的主引擎。阿波羅服務艙則使用另一種鈮合金。由于鈮在400°C以上會開始氧化,所以為了防止它變得易碎,須在其表面涂上保護涂層。
醫療應用:鈮在外科醫療上也占有重要地位,它不僅可以用來制造醫療器械,而且是很好的“生物適應性材料”,因為它有極好的抗蝕性,不會與人體里的各種液體物質發生作用,并且幾乎完全不損傷生物的機體組織,對于任何殺菌方法都能適應,所以可以同有機組織長期結合而無害地留在人體里。
鋼鐵應用: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,就能達到改善鋼性能的目的。實際上鋼中加入0.001%—0.1%的鈮,就足以改變鋼的力學性能。例如:當加入0.1%的合金化元素時,提高鋼的屈服強度依次為:鈮118MPa;釩71.5MPa;鉬40MPa;錳17.6MPa;鈦為零。實際上鋼中只需加入0.03%—0.05%Nb,鋼的屈服強度便可提高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度一般為250MPa,加入微量鈮可使強度提高到350—800MPa。
鈮作為微合金化元素加入鋼中并不改變鐵的結構,而是與鋼中的碳#氮#硫結合,改變鋼的顯微結構。鈮對鋼的強化作用主要是的是細晶強化和彌散強化,鈮能和鋼中的碳氮生成穩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晶化的鋼。鈮還可以通過誘導析出和控制冷卻速度,實現析出物彌散分布。在較寬的范圍內調整鋼的韌性水平。因此,加入鈮不僅可以提高鋼的強度,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,在手提電話和光調變器中以及表面聲波設備的制造上有廣泛的應用。它的晶體結構屬于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勝。
錢幣:在錢幣上,鈮有時會與金和銀一起用在紀念幣上作貴重金屬。例如,奧地利自2003年起,生產了一系列銀鈮歐羅幣,其顏色是陽極化過程形成的氧化物表層衍射所產生的。2012年,共有十種中心顏色不同的錢幣,共包括藍、綠、棕、紫和黃。另外含有鈮的錢幣還有2004年的奧地利賽梅林鐵路150周年紀念幣,以及2006年歐洲衛星導航紀念幣。2011年,加拿大皇家造幣廠開始鑄造稱為“狩獵月”(Hunter's Moon)的5加元純銀和鈮幣。其中的鈮經過特殊的氧化過程,所以沒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,因為鈮的熱膨脹系數與經燒結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侵蝕,也不會與燈內的高溫鈉液體和氣體產生還原反應。鈮也被用在電弧焊條上,用來焊接某些穩定化不銹鋼。一些大型水箱的陰極保護系統中以鈮作為陽極的材料,陽極一般再鍍上一層鉑。