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地質運動與天體撞擊,使地球蘊藏了豐富的金屬。人類對金屬的發現與使用,具有劃時代的意義:從石器時代到青銅時代、再到鐵器時代,生產力翻了好幾番,而人類進入工業時代後,金屬就像元素周期表上那樣迎來了大爆發式的應用。這其中能支撐人類開啟宇航時代的,則離不開鋰、鈹、鈦這三種輕且堅韌的金屬元素,那麽這三種金屬有何屬優勢,能夠開啟人類飛天時代的呢?
能支撐人類開啟宇航時代的,則離不開鋰、鈹、鈦這三種輕且堅韌的金屬元素。
鋰:“稀有金屬”並不稀有
首先拿鋰來說,金屬鋰為一種銀白色的輕金屬,熔點為180.54Ⰳ,沸點1342Ⰳ,硬度0.6,質較軟,可用刀切割,其密度為0.534克/厘米⳯有的油和液態烴都小,是最輕的金屬,故應存放於固體石蠟或者白凡士林中(在液體石蠟中鋰也會浮起)。鋰與其它堿金屬不同,在室溫下與水反應比較慢,但卻能與惰氣體氮氣反應生成黑色的一氮化三鋰晶體;鋰的弱酸鹽都難溶於水,卻可溶於液氨。
鋰是已知元素(包括放射元素)中金屬活動最強的,可做鉛基合金與鎂、鋁可以形成極硬的低密度合金。
鋰是已知元素(包括放射元素)中金屬活動最強的,其揮發鹽的火焰呈深紅色,可用此來鑒定鋰。至於鋰的用途,由於它很容易與氧、氮、硫等化合,在冶金工業中用作脫氧劑;還可做鉛基合金與鎂、鋁可以形成極硬的低密度合金,具有“硬、輕、抗腐蝕”的特點,被用於宇宙航天器零件的製造;還有鋰優異的核能,在原子能工業中有重要用途,被稱為“高能金屬”。
用鋰電池發電來開動汽車,行車費隻有普通汽油發動機車的1/3。
當然最為人熟知的便是鋰電池,它以開路電壓高,比能量高,工作溫度範圍寬,放電平衡,自放電子等優點,已被廣泛應用於各種領域,是很有前途的動力電池。用鋰電池發電來開動汽車,行車費隻有普通汽油發動機車的1/3。由鋰製取氚,用來發動原子電池組,中間不需要充電,可連續工作20年。要解決汽車的用油危機和排氣汙染,重要途徑之一就是發展像鋰電池這樣的新型電池。
已知含鋰的礦物有150多種,其中主要有鋰輝石、鋰雲母、透鋰長石及磷鋁石礦等。
至於鋰的自然儲量,雖然號稱“稀有金屬”,但它在地殼中的含量不算“稀有”,地殼中約有0.0065%的鋰,其豐度居第二十七位,已知含鋰的礦物有150多種,其中主要有鋰輝石、鋰雲母、透鋰長石及磷鋁石礦等,儲量約為1100萬噸,可開采儲量410萬噸。據統計,2004年世界鋰開采量為20200噸,其中智利開采7990噸,澳大利亞3930噸,中國2630噸,俄羅斯2200噸,阿根廷1970噸。
另外海水中鋰的總儲量達2600億噸,但可惜濃度太小,難以提煉,其他含有豐富鋰資源的便是鹽湖。一提起鹽湖,大家總會聯想到苦澀的鹵水。實際上,鹽湖的湖水礦化度相當大,它比海水更苦更澀,有的甚至都沒有水,直接形成了幹鹽灘。鹽湖中儲存有一百多種鹽類礦物,包括石鹽、石膏、天然堿等常見鹽類礦物,以及硼、鋰、溴、銣、鍶、鋇、鈾等價值很高的稀有鹽類,是散落在大地上的小型“聚寶盆”。
鹽湖中儲存有一百多種鹽類礦物,包括鹽類礦物,以及硼、鋰、溴、銣、鍶、鋇、鈾等價值很高的稀有鹽類。
位於西藏自治區日喀則市仲巴縣隆格爾區仁多鄉境內的紮布耶茶卡,是世界第三大、亞洲第一大鋰礦鹽湖。
比如紮布耶茶卡(藏語中,“湖”被稱為“錯”,“茶卡”即鹽池)就是一個富含鋰的鹽湖,位於西藏自治區日喀則市仲巴縣隆格爾區仁多鄉境內,是世界第三大、亞洲第一大鋰礦鹽湖,已探明的鋰儲量為184.10萬噸,其鋰的品味位居世界第二位(鹵水含鋰濃度僅次於智利阿塔卡瑪鹽湖),中國第一位,是富含鋰、硼、鉀固、液並存的特種綜合大型鹽湖礦床。
紮布耶茶卡已探明的鋰儲量為184.10萬噸,其鋰的品味位居世界第二位。
紮布耶茶卡具有世界獨一無二的天然碳酸鋰固體資源和高鋰貧鎂、富碳酸鋰的特點
紮布耶茶卡具有世界獨一無二的天然碳酸鋰固體資源和高鋰貧鎂、富碳酸鋰的特點,鹵水已接近或達到碳酸鋰的飽和點,易於形成不同形式的天然碳酸鋰的沉積,因而具有比世界同類鹽湖更優的資源,被我國鹽湖專家鄭綿平院士評價為“用鬥量金的金湖”。實際上,紮布耶茶卡已經用於工業開發,並不對外開放,知道它的本地人都極少。目前紮布耶鋰精礦的年產能為5000噸左右。2019年中報報告期公司生產工業級碳酸鋰473.30噸、氫氧化鋰581.284噸、電池級碳酸鋰78.03噸。
柴達木盆地的東、西台吉乃爾湖、一裏坪湖、大柴旦湖4個鹽湖的鋰資源就占到了中國鹽湖鋰資源總量的63%。
青海的柴達木盆地,這裏四分之一的麵積由幹鹽灘和鹽湖覆蓋。
當然除了紮布耶茶卡這些西藏的高原鹽湖,還有青海的柴達木盆地,這裏四分之一的麵積由幹鹽灘和鹽湖覆蓋,而東、西台吉乃爾湖、一裏坪湖、大柴旦湖4個鹽湖的鋰資源就占到了中國鹽湖鋰資源總量的63%。當前青海省正在大力推動千億規模的鋰電產業,加上鉀、硼等資源的綜合利用...。格外一提的是2018年中國國家天文台依托郭守敬望遠鏡發現一顆鋰元素含量約是同類天體的3000倍,絕對鋰豐度高達4.51的恒星,這是人類已知鋰元素豐度最高的恒星。
大柴旦湖又名大柴達木湖,在第四紀時期與小柴旦湖屬同一大湖,後因氣候變幹,湖泊退縮,演變為獨立湖泊。
大柴旦湖屬於硫酸鎂亞型鹽湖,湖水中硼、鋰含量較高,是我國富硼鹽湖之一。
鈹:酸堿兩硬金屬
鈹(Beryllium)是第二周期第二主族元素,原子序數為4,元素符號Be,是一種灰白色的堿土金屬,屬六方晶係,不但硬度比同族金屬高,不像鈣、鍶、鋇可以用刀子切割,而且有延展。另外鈹與鋰一樣,在空氣中能夠形成致密的保護氧化層,故在空氣中即使紅熱時也很穩定,不溶於冷水,微溶於熱水,而同族的其它金屬如鎂、鈣、鍶、鋇均易與水反應。
鈹是最輕的金屬之一,主要以鈹銅合金和鈹金屬的形式廣泛用於航空、航天和核反應堆。
美國是世界上最大的鈹生產國,占總產量的65%;同時,也是最大的鈹消費國,占世界消費總量的66%以上。
鈹既能溶於酸也能溶於堿液,屬於兩金屬,不過鈹及其化合物都有劇毒。至於用途鈹主要用於原子能反應堆材料,宇航工程材料,各種合金,X射線透射窗等。比如“硬、輕、耐熱”的鈹鋁合金具有很低的熱膨脹係數,可以在溫度變化劇烈的環境中用作精密零件。
AH-64阿帕奇以其卓越的能、優異的實戰表現,自誕生之日起,一直是世界上武裝直升機綜合排行榜第一名。
AH-64武裝直升機現已被世界上13個國家和地區使用,包括日本、中國台灣和以色列。
鈹鋁合金按鈹含量可分為鋁基合金和鈹基合金:前者鈹含量在5%以下,用作冶金添加劑;後者鈹含量在60%以上,用作結構材料,像人造衛星、太空望遠鏡上的照相機,以及天線、光學元件的固定構件等。像美國阿帕奇武裝直升機上就有58個鈹鋁合金部件,用來組成精密的電子光學偵測係統。
目前已知的含鈹礦物有30多種,其中僅綠柱石、羥矽鈹石、矽鈹石具有工業價值。
花崗偉晶岩型鈹礦床仍是鈹的主要來源,占鈹總儲量的82.3%,其餘產自接觸交代型鈹礦床(占7.4%)。
目前已知的含鈹礦物有30多種,其中僅綠柱石、羥矽鈹石、矽鈹石具有工業價值。綠柱石是一種鈹鋁矽酸鹽,其通式為Be3Al2(SiO3)6,理論上含氧化鈹近14%。實際上氧化鈹含量一般為9~13%;世界鈹金屬儲量44.1萬噸。其中,巴西14萬噸、印度6.4萬噸、俄羅斯5萬噸、中國5萬噸、阿根廷2.5萬噸、美國2.1萬噸。花崗偉晶岩型鈹礦床仍是鈹的主要來源,占鈹總儲量的82.3%,其餘產自接觸交代型鈹礦床(占7.4%)、火山熱液型鈹礦床(占5.9%)、雲英岩型鈹礦床及石英脈型鈹礦床(占4.4%)。
新疆是中國礦產資源最豐富的地區,天然氣儲量第一、鈹資源量第一、蛭石儲量第一。
圖為新疆和田縣大紅柳灘509道班西鋰鈹多金屬礦預查現場
在中國主要集中在新疆和江西,說起來新疆還真是個好地方,不僅有中國最大的沙漠、最大的冰川、最大的泥火山群…,還是中國礦產資源最豐富的地區,天然氣儲量第一、鈹資源量第一、蛭石儲量第一…共有10種礦產儲量新疆位居全國第一。
鈦是一種銀白色的過渡金屬,具有金屬光澤,有延展,重量輕、強度高、機械強度大。
鈦:天生的航天材料
鈦在化學元素周期表中位於第4周期、第IVB族,化學符號Ti,原子序數22,是一種銀白色的過渡金屬,具有金屬光澤,有延展。密度為4.506-4.516克/立方厘米(20℃),高於鋁而低於鐵、銅、鎳,所以其特點便是重量輕、強度高、機械強度大、耐濕氯氣腐蝕。其優良的抗腐蝕能,不僅不受大氣和海水的影響,在常溫下,甚至不會被7%以下鹽酸、5%以下硫酸、硝酸、王水或稀堿溶液所腐蝕,也隻有在氫氟酸、濃鹽酸、濃硫酸中才可對它起作用。
鈦的強度更是位居金屬之首,比起鋰、鈹來說,鈦似乎沒那麽輕盈,但它的強度卻更勝一籌。
又輕、又韌、又耐高溫的鈦合金可以說是天生的航天材料。圖為銳鈦礦石。
此外,鈦的強度更是位居金屬之首,比起鋰、鈹來說,鈦似乎沒那麽輕盈,但它的強度卻更勝一籌:鈦與鋼的強度相似,但重量僅為鋼的45%;鈦比鋁重約60%,但鈦的強度是鋁的二倍還多。新型的鈦合金,不但可在600℃或更高的溫度下長期使用,在-100℃的低溫下,仍舊有很好的韌而不發脆。所以這種又輕、又韌、又耐高溫的鈦合金可以說是天生的航天材料。
飛機的飛行速度大幅提高的同時,飛機表麵會加熱產生“熱障”,溫度甚至可達500℃。圖為F22
鈦合金的能足夠滿足超音速飛機對材料抗腐蝕、韌和耐熱的全麵要求。圖為殲20
因為當飛行從螺旋槳跨越到噴氣式,再到如今的超音速時代後,飛機的飛行速度大幅提高的同時,飛機表麵會加熱產生“熱障”,溫度甚至可達500℃,此時飛機的材料能便會大幅下降,從而使飛機結構強度與剛度降低,氣動外形發生破壞,甚至引起災難的顫振。如果是用比較耐熱的鋁合金製造機翼,一旦超過200-300℃就會吃不消。而鈦合金的能足夠滿足超音速飛機對材料抗腐蝕、韌和耐熱的全麵要求。
不過鈦與鋰一樣,都被認為是一種稀有金屬,但不同的是,鋰是因為在自然界的存在太過分散而難以提煉,而鈦雖然分布也很分散,但難以提煉的最大難度卻是鈦在高溫下極強的化合能力,很容易就會與氧、碳、氮以及其他許多元素化合。所以在冶煉鈦時,空氣和水是嚴格禁止接近的,甚至連冶金上常用的氧化鋁坩堝也禁止使用,因為鈦會從氧化鋁裏奪取氧,通常隻能利用鎂與四氯化鈦在惰氣體—氦氣或氬氣中的相互作用,來提煉鈦。
鈦礦石主要有鈦鐵礦及金紅石,廣布於地殼及岩石圈之中,由於鈦金屬的重要,1956年國家就把鈦當作戰略金屬列入了12年發展規劃。目前寶雞鈦材加工裝備、技術水平及生產能力均居全國第一,生產能力占全國的60%左右,市場份額占國內鈦加工材市場85%,占世界產量的22%,承擔著中國90%以上高端鈦材產品的生產任務,號稱中國鈦穀。
新金屬材料更是支撐人類文明進步,走向下一個時代的重要動力之一。
如今世界材料產業的產值以每年約30%的速度增長,化工新材料、微電子、光電子、新能源成了研究最活躍、發展最快、最為投資者所看好的新材料領域。相比之下,新金屬材料更是支撐人類文明進步,走向下一個時代的重要動力之一。因為無論是創世史詩中的黃金時代、白銀時代,還是上古時期的青銅時代,亦或是古典時期的鐵器時代,無一不是人類在探求鑄造金屬的曆程中促使生產力飛越發展。
上期回顧:種子島現狀:世界最美麗的火箭發射基地,日本人征服太空的前哨基地
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