工业“高级滋补品”

文图/袁洁
　　很多人都去眼镜店配过眼睛，营业员一定会给大家推荐纯钛、B钛、记忆钛等多种以钛金属为主的镜架，因为它具有超轻、耐腐蚀、抗过敏、强度高等优点。钛，就是一种离我们日常生活很近的稀有金属。其实，稀有金属真正大展身手的地方是在工业领域。如果说钢铁是工业的粮食，那么，稀有金属就可以说是工业的高级滋补品了。
　　随着我国工业和科学技术现代化发展步伐的加快，稀有金属的应用领域越来越广泛，在尖端科学技术部门发挥着关键性作用。有了它，航天、军工和精密仪器制造业就能如虎添翼，更上一个台阶。目前，世界各国都把稀有金属当作增强国防实力、体现技术工艺水平、发展生产力的坚实基础而倍加重视和保护，那么，稀有金属究竟有哪些神奇的应用？它是从哪里来的？一起来听听专家是怎么说的吧！
　　稀有金属从何处来？
　　最新研究认为，有色稀有金属和贵金属都来自远古时期的陨石，而不是来自地球本身。在38亿年至40亿年前的原始地球上，曾遭到非同寻常的大规模陨石雨的撞击，估计有2000亿亿吨陨石被“嵌入”到早期的地壳中，从此有了用途迥异的稀有金属，这些金属在地球的地质演化过程中，可能随着时间的推移被吸收到地幔中。在各种地质的作用下，分散在地壳上和地幔中的稀有金属元素相对富集而形成矿床的过程，被称为“成矿作用”。
　　稀有金属是在自然界中储量、分布稀少，或难以被人类应用的一类元素的总称。稀有金属常用来制造特种金属材料，如特种钢、合金等，在飞机、火箭、原子能等工业领域也属于关键性材料。其实，稀有金属也是一个相对的概念，随着人类对它们的研究愈加深入，加之新产源及新提炼方法的发现以及它们应用范围的扩大，稀有金属和其他金属的界限也会逐渐消失。
　　钛：并不稀有的“稀有”金属
　　元素档案
　　钛属于稀有金属，但实际上钛并不稀有，其在地壳中的丰度位列第七位，含量为0.45%，远远高于许多常见金属。那为什么它还要“挤”在稀有金属的行列里呢？这是由于钛的性质活泼，对冶炼工艺要求高，使得人们长期以来无法制得大量的钛，因而，它才被归入“稀有”的行列。近年来，随着钛在现代技术中的应用日益广泛，产量增多，有时，它也会被列入轻金属。钛的元素符号为Ti，原子序数为22。钛的耐热性很好，熔点高达1725℃。在常温下，钛甚至可以安然无恙地躺在各种强酸强碱的溶液中，就连最凶猛的酸—王水，也不能奈何得了它。
　　尖端应用
　　当前，由于钛和钛的合金被大量用于航空工业，因此它也有“空间金属”之称。不过，在造船工业、化学工业、制造机械部件、电信器材、硬质合金等方面，钛也有着日益广阔的应用。钛的硬度与钢铁差不多，但它的重量几乎只有同体积钢铁的一半，并且钛没有磁性，用钛建造的核潜艇不必担心被磁性水雷攻击。早在第二次世界大战期间，德国就造出了钛钢U型潜艇，横行于大西洋。我国也于20世纪80年代研发了Ti80钛合金，用于制造深潜器和潜艇的耐压壳体，具有高强、高韧、耐蚀、可焊等优异性能。此外，我国还成功研制出了一批性能优异的钛合金，如Ti31钛合金，工作环境为高温海水或常温高速海水，可耐180℃高温腐蚀。
　　钽：制造的小电容有大用处
　　钽是由瑞典化学家埃克贝里在1802年发现的，按希腊神话人物坦塔罗斯的名字命名，元素符号为Ta，原子序数73，为钢灰色金属。钽的硬度较低（与其含氧量有关），但是它的熔点高达2980℃。
　　目前，世界上一半产量的钽都被用在生产钽电容上。钽电容器的工作介质是在钽金属表面生成的一层极薄的五氧化二钽膜。钽电容是一种体积小而又能达到较大电容量的产品，多装备到军用设施中。金属钽还可用作飞机发动机燃烧室的结构材料。钽钨、钽钨铪、钽铪合金还被用作火箭、导弹和喷气发动机的耐热高强材料以及控制和调节装备的零件等。
　　铯：定义新一代时间计量基准
　　如今在人们的日常生活中，时间精确到秒已不够用，比如百分之一秒的差别将决定田径运动员的胜负，炮弹的发射精度需要达到千分之一秒，雷达甚至需要百万分之一秒的时间精度值。因此，必须不断提升时间计量的精确度。铯是一种碱金属，元素符号是Cs，原子序数为55，由发现者罗伯特等以拉丁文“coesius”（意为天蓝色）命名。铯的颜色为金色，质地非常软，熔点低，一般28.44℃时即会熔化，也就是说，用手隔着玻璃管就能将其熔化。
　　激光冷却铯原子喷泉钟正是利用铯原子熔点低的特点，用六束激光将气室中的铯原子捕获，冷却到几μK（温度的国际单位“开尔文”，用K表示），然后将冷却后的铯原子上抛，上抛的铯原子经微波腔时与微波发生一次相互作用，当铯原子上升到最高点回落时经过同一微波腔，又一次与微波发生相互作用，构成一次跃迁振荡。铯原子的跃迁振荡具有极佳的稳定性和精确度，据此，定义一个原子秒的时间长度为铯原子跃迁91.9亿次的时间长，就形成新一代的时间计量基准。根据这一原理制造的铯原子喷泉钟，精度可达运行3000万年都不出现1秒的误差。
　　铼：助力神舟飞船上天
　　铼的元素符号是Re，原子序数75，常温下的铼为银白色的金属或灰至黑色的粉末。铼的熔点为3180℃，沸点为5627℃。金属铼非常硬，耐磨也耐腐蚀。铼的价格昂贵，因此在应用上多被制成合金。其中，尤以钨铼和钼铼合金的用途最广。
　　含铼的合金可耐高温，是制造航空发动机的关键金属；也被用来制造电灯丝、人造卫星和火箭的外壳、原子反应堆的防护板等。铼及其合金可制作高温热电偶，钨铼热电偶在3100℃也不软化。在钨或钼合金中加25%的铼，可增加材料的延展性能。火箭、导弹上会用铼作高温涂层，宇宙飞船用的仪器和高温部件也都要用到铼。此外，铼还在醇类脱氢、合成氨等化工生产中作为催化剂使用。随着中国军工发展的重心转移至海空方向，未来航空发动机、无人机和高速飞行器等领域将进一步发展，铼的战略价值将更为凸显。
　　钨：当之无愧的战略金属
　　钨的元素符号是W，原子序数74，熔点很高，为3410℃。我国的钨储量居世界第一，占全球供应量的85%。钨主要用于生产硬质合金、特种钢等产品，并被广泛应用于国防工业、航空航天、信息产业，被称为“工业的牙齿”。如果一个国家没有钨的话，在目前的技术条件下，其金属的加工能力就会出现明显的颓势，所以，钨被称为“战略金属”当之无愧。
　　由于钨能耐高温，所以钨合金被大量用于机械、武器制造。比如，火炮身管等特种零部件，需要钨合金材料加强耐烧蚀性能，提高火炮寿命。从攻击角度看，制作穿甲弹的弹丸，必须使用比坦克装甲更硬的高密度合金钢、碳化钨等材料。从防御角度看，由于钨没有放射性，化学性能也非常稳定，甚至在1000℃以上的高温下也不会被氧化，并且硬度没有明显下降，因此制成的防弹装甲对防御破甲弹的高温金属射流十分有利（高温金属射流是指炮弹攻击部分被火药在高温下化成液态，并在高压下被喷出形成的射流）。此外，由于钨的硬度极高，加入钨后，钢的硬度也会有极大的提高。因此，目前它还主要用于生产钢铁的金属合金。