鈮，化學符號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2468℃，沸點4742℃，密度8.57g/cm³。高純度鈮金屬的延展性較高，但會隨雜質(zhì)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(yè)上有相當?shù)挠锰帯?/p>

　　鈮在低溫狀態(tài)下會呈現(xiàn)超導體性質(zhì)。在標準大氣壓力下，它的臨界溫度為9.2K，是所有單質(zhì)超導體中最高的。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類超導體之一，其他兩種分別為釩和锝。鈮金屬的純度會大大影響其超導性質(zhì)。鈮對于熱中子的捕獲截面很低，因此在核工業(yè)上有相當?shù)挠锰帯?/p>

　　室溫下鈮在空氣中穩(wěn)定，在氧氣中紅熱時也不被完全氧化，高溫下與硫、氮、碳直接化合，能與鈦、鋯、鉿、鎢形成合金。不與無機酸或堿作用，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，這是鑭系收縮效應所造成的。這使得鈮的化學性質(zhì)與鉭非常相近。雖然它的抗腐蝕性沒有鉭這么高，但是它價格低，也為常見，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99.999%，用于生產(chǎn)高純鈮酸鋰晶體和特種光學玻璃添加劑。這種陽極氧化膜的化學性能穩(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和一般工業(yè)電器設備。

　　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。

　　開采所得的礦石要經(jīng)過分離過程，使五氧化二鉭(Ta2O5)和五氧化二鈮(Nb2O5)從其他礦物中脫離出來。加工過程的首個步驟是與氫氟酸反應：

　　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。新的方法則使用類似環(huán)己酮的有機溶劑把氟化物從水溶液中萃取出來，再用水將鈮和鉭的配合物從有機溶劑中分別提取。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K2[NbOF5]和氯化鈉的熔融混合物進行電解，二是用鈉對氟化鈮進行還原。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Nb2O5進行還原。另一種方法利用鋁熱反應，其中氧化鐵和氧化鈮與鋁反應：

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

　　少量類似硝酸鈉的氧化添加劑可以加強以上反應。這樣會產(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，鋁熱反應會產(chǎn)生鈮金屬，不過要經(jīng)純化過程才可制成具超導性質(zhì)的高純度鈮合金。世界最大的兩家鈮經(jīng)銷商所用的方法是真空電子束熔煉。

　　鈮的應用

　　超導應用

　　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。

　　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、燃氣渦輪發(fā)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(tài)。這類合金一般含有最高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%。應用包括作為高端機體材料，如曾用于雙子座計劃。

　　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。

　　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)和太空競賽的緣故，杜邦、美國聯(lián)合碳化物、通用電氣等多個美國公司都在同時研發(fā)鈮基合金。鈮和氧容易反應，所以生產(chǎn)過程需在真空或惰性氣體環(huán)境下進行，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)是當時最先進的生產(chǎn)過程，促使了各種鈮合金的發(fā)展。1959年起，研究項目在測試了“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。華昌當時擁有從核級鋯合金提煉而成的鉿元素，并希望發(fā)展它的商業(yè)應用。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)療應用

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

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

　　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?？煽俊⒛驼?，工作溫度范圍大，使用壽命長，已經(jīng)大量地用在電子計算機、雷達、導彈、超音速飛機、自動控制裝置以及彩色電視、立體電視等的電子線路中。

　　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(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晶化的鋼。

　　鈮還可以通過誘導析出和控制冷卻速度，實現(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(zhì)，在手提電話和光調(diào)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(yōu)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(chǎn)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(chǎn)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(wèi)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(jīng)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(shù)與經(jīng)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(nèi)的高溫鈉液體和氣體產(chǎn)生還原反應。鈮也被用在電弧焊條上，用來焊接某些穩(wěn)定化不銹鋼。一些大型水箱的陰極保護系統(tǒng)中以鈮作為陽極的材料，陽極一般再鍍上一層鉑。

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