这种曾被误认为构成钻石的元素用途多得惊人！

时间: 2024-10-18 13:14:16 |   作者: 矿用分选

  近日，某大学成功研发出一种适用于氧化锆与钛合金的耐高温胶（达1200℃），该胶有效解决了陶瓷合金间的高温粘接难题，在航空航天领域具有广泛的应用前景。

  氧化锆以高熔点、低热膨胀著称，是人工钻石的主要的组成原材料。作为构成氧化锆的主要元素，锆在很长一段时间内都被认为是钻石的主要构成元素。其实，科学家发现并命名锆元素仅200多年，近几十年它才大放异彩，普遍的应用于轻工业、军工、航天航空等领域，被誉为“原子能时代的头号金属”。

  公元1789年夏，德国科学家克拉普罗特对一种叫“金宝石”的东西产生了浓厚的兴趣。他知道这是一种含硅酸盐的天然矿石，切割后会呈现出美丽的光，所以西方人一直在把它当作一种特殊的软钻石。

  2000多年前，古罗马诗人奥维德在小说《变形记》中讲道，血红的“金宝石”是受太阳神庇护的幸运石。“金宝石”的英文名Zircon来源于波斯文，原意是“金色之光”。事实上，“金宝石”呈现出多种颜色：除血红色外，还有无色、黄色、紫色、蓝色等。漂亮的“金宝石”受到古希腊、古罗马、古印度等国人的喜爱，《圣经》称其是祭司佩带的12种宝石之一，传闻戴上它可以治疗皮肤病，防止被雷劈……

  “金宝石”广受西方人喜爱的另一个原因是存量少，不易开采。它们一般存在于水平线以下，钻坑开采时常被水淹没。在其盛产地斯里兰卡，人们开采“金宝石”之前要进行祭拜，以求平安。中世纪起，天然“金宝石”大都进入收藏家的宝库。

  具有丰富矿石研究经验的克拉普罗特从一位收藏家朋友处要来一颗小小的“金宝石”。他把此物与氢氧化钠放一起进行高温加热，再把生成物放进盐酸溶液里进行沉淀，并通过实验滤去硅、钠及杂质，最后得到一种未知氧化物（沉淀物）。他进一步研究得知，此氧化物不溶于碱液和普通的酸液，化学性质十分稳定。

  生性谨慎的克拉普罗特查阅了很多资料，都没弄清新得到的未知氧化物。他把氧化物分成两份，分别寄给法国化学家莫鲁于（Morueau）和沃克兰（Vauquelin），他们回信说没见过此物，或许里面含有未知元素。克拉普罗特从收藏家朋友处又要来一颗极小的“金宝石”，并进行同样的实验后，确定未知氧化物里有一种与碳完全不一样的未知元素。根据波斯文“金色光”之意，他把该元素命名为“Zirconium”，化学符号为“Zr”。若干年后西学东渐，清末科学家把此元素翻译为“锆”，“金宝石”即是大名鼎鼎的锆石。

  发现锆元素只用了半年多时间，而提纯它用了一个多世纪。35年后的1824年，瑞典著名化学家贝齐利阿斯用氟锆酸钾与钾加热反应，提取出纯度达93%的锆。这个纪录保持了一个世纪。1925年，荷兰科学家德布尔和阿克尔用电热丝分解四碘化锆的方法制得含量达99%的纯锆。又过了近20年，在科学家克苏尔的指导下，美国矿物局工作人员于1944年实验由镁加热四氯化锆得到纯锆的方法获得成功，开始成规模地制取金属锆。也是从这一年开始，许多发达国家开始认识到锆的重要性，并投入人力物力财力进行有关研究和试验。

  锆是重要的稀有金属，具有超高熔点、超强硬度、超级抗腐蚀性等特性，被普遍的应用于轻工业、军工业、航天航空业等领域。

  工业方面，锆可用作吸气、冶金、铸造合金等。吸气剂是锆最大的轻工业用途之一。常温下，纯锆的表面会吸收氧气，形成具有光泽的氧化膜，外观看上去很像钢。高温时，锆大量吸收氧、氢等气体，是很好的贮氢材料。

  锆可用来脱氧、去硫等，被称为冶金工业的“维生素”。以锆为基础加入锡、铌等金属，可发挥锆的抗腐蚀性的特性，制成含锆合金，用来制造各种精密零件。

  军工和航天航空方面，锆不但是制造坦克、大炮、装甲车等的重要原材料，还是发展原子能工业不可或缺的材料，在大型核电站、核潜艇、宇宙飞船、火箭等制造上大显身手。

  锆最受人关注的运用莫过于5G领域。5G手机的背板、滤波器、指纹识别模组等关键电子元件的原材料之一，即是氧化锆粉体。种种运用表明，锆是当之无愧的“原子能时代的头号金属”。

  用途广导致需求量大，需求量大导致其重要性愈加凸显。随世界各国对锆金属重视程度的增加，锆资源也日渐成为国际矿物市场的热点和焦点。

  我国的锆工业虽然起步较晚，但发展迅速。上世纪70年代，受国外锆矿开采和氧化锆研究的影响，国家开始着手氧化锆的实用性研究，并随即确定了用氢氧化钠与氯化锆反应制取氧化锆的生产的基本工艺。1978年，国家建立了江苏宜兴化工厂，这是我国第一家氧化锆生产厂。此举也成为中国锆工业发展的转折点。时至今日，海南文昌、广东湛江等地都有锆生产基地。

  我国的锆资源储备少，目前国内锆金属仅有50万吨，占世界总量的0.6%。而我国又是世界上最大的锆资源需求国，年需求总量超过120万吨（2020年）。因此前几十年锆金属主要是依靠进口。

  针对以上实情，专家提出三种解决思路，包括提高开采技术、加大勘探力度、优化生产的基本工艺及让应用更加合理。其中第三种思路的实践效果更明显。2022年，中国科学院上海硅酸盐研究院在氧化锆透明陶瓷研究方面取得突破性进展，而前文所说中国民航大学团队研发适用于氧化锆与钛合金的耐高温胶，也值得一书。

  相信只要科学家和科研团队不懈努力，产业快速实现升级，不但我国依靠进口锆的现状可完全改变，而且这种曾被误认为构成钻石的稀有金属也会发挥更多更大的作用。

  2.《锆基非晶合金组织及力学性能的研究材料》，作者俞剑，《长安大学学报：自然科学版》2008年第2期

  3.《我国锆资源现状分析及可持续发展建议》，作者申伟、张方方等，《中国矿业》2016年3月刊

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