近日,中國(guó)民航大學(xué)本科生團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出一種適用于氧化鋯與鈦合金的耐高溫膠(達(dá)1200℃),該膠有效解決了陶瓷合金間的高溫粘接難題,在航空航天領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
氧化鋯以高熔點(diǎn)、低熱膨脹著稱,是人工鉆石的主要原料。
作為構(gòu)成氧化鋯的主要元素,鋯在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都被認(rèn)為是鉆石的主要構(gòu)成元素。
其實(shí),科學(xué)家發(fā)現(xiàn)并命名鋯元素僅200多年,近幾十年它才大放異彩,廣泛運(yùn)用于輕工業(yè)、軍工、航天航空等領(lǐng)域,被譽(yù)為“原子能時(shí)代的頭號(hào)金屬”。

“金寶石”超受歡迎
公元1789年夏,德國(guó)科學(xué)家克拉普羅特對(duì)一種叫“金寶石”的東西產(chǎn)生了濃厚的興趣。
他知道這是一種含硅酸鹽的天然礦石,切割后會(huì)呈現(xiàn)出美麗的光,所以西方人一直在把它當(dāng)作一種特殊的軟鉆石。
2000多年前,古羅馬詩(shī)人奧維德在小說(shuō)《變形記》中講道,血紅的“金寶石”是受太陽(yáng)神庇護(hù)的幸運(yùn)石。
“金寶石”的英文名Zircon來(lái)源于波斯文,原意是“金色之光”。事
實(shí)上,“金寶石”呈現(xiàn)出多種顏色:除血紅色外,還有無(wú)色、黃色、紫色、藍(lán)色等。
漂亮的“金寶石”受到古希臘、古羅馬、古印度等國(guó)人的喜愛,《圣經(jīng)》稱其是祭司佩帶的12種寶石之一,傳聞戴上它可以治療皮膚病、防止被雷劈……

“金寶石”廣受西方人喜愛的另一個(gè)原因就是存量少,不易開采。
它們一般存在于水平線以下,鉆坑開采時(shí)常被水淹沒。
在其盛產(chǎn)地斯里蘭卡,人們開采“金寶石”之前要進(jìn)行祭拜,以求平安。
中世紀(jì)起,天然“金寶石”大都進(jìn)入收藏家的寶庫(kù)。
從發(fā)現(xiàn)到提純
具有豐富礦石研究經(jīng)驗(yàn)的克拉普羅特從一位收藏家朋友處要來(lái)一顆小小的“金寶石”。
他把此物與氫氧化鈉放1316世界之最一起進(jìn)行高溫加熱,再把生成物放進(jìn)鹽酸溶液里進(jìn)行沉淀,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)濾去硅、鈉及雜質(zhì),最后得到一種未知氧化物(沉淀物)。
他進(jìn)一步研究得知,此氧化物不溶于堿液和普通的酸液,化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定。

生性謹(jǐn)慎的克拉普羅特查閱了很多資料,都沒弄清新得到的未知氧化物。
他把氧化物分成兩份,分別寄給法國(guó)化學(xué)家莫魯于(Morueau)和沃克蘭(Vauquelin),他們回信說(shuō)沒見過(guò)此物,或許里面含有未知元素。
克拉普羅特從收藏家朋友處又要來(lái)一顆極小的“金寶石”,并進(jìn)行同樣的實(shí)驗(yàn)后,確定未知氧化物里有一種與碳完全不一樣的未知元素。
根據(jù)波斯文“金色光”之意,他把該元素命名為“Zirconium”,化學(xué)符號(hào)為“Zr”。
若干年后西學(xué)東漸,清末科學(xué)家把此元素翻譯為“鋯”,“金寶石”即是大名鼎鼎的鋯石。

發(fā)現(xiàn)鋯元素只用了半年多時(shí)間,而提純它用了一個(gè)多世紀(jì)。
35年后的1824年,瑞典著名化學(xué)家貝齊利阿斯用氟鋯酸鉀與鉀加熱反應(yīng),提取出純度達(dá)93%的鋯。這個(gè)紀(jì)錄保持了一個(gè)世紀(jì)。
1925年,荷蘭科學(xué)家德布爾和阿克爾用電熱絲分解四碘化鋯的方法制得含量達(dá)99%的純鋯。
又過(guò)了近20年,在科學(xué)家克蘇爾的指導(dǎo)下,美國(guó)礦物局工作人員于1944年實(shí)驗(yàn)由鎂加fsUsDEqrcd熱四氯化鋯得到純鋯的方法獲得成功,開始成規(guī)模地制取金屬鋯。
也是從這一年開始,許多發(fā)達(dá)國(guó)家開始認(rèn)識(shí)到鋯的重要性,并投入人力物力財(cái)力進(jìn)行相關(guān)研究和試驗(yàn)。
稀有金屬用途超廣
鋯是重要的稀有金屬,具有超高熔點(diǎn)、超強(qiáng)硬度、超級(jí)抗腐蝕性等特性,被廣泛運(yùn)用于輕工業(yè)、軍工業(yè)、航天航空業(yè)等領(lǐng)域。

工業(yè)方面,鋯可用作吸氣、冶金、鑄造合金等,其中吸氣劑是fsUsDEqrcd鋯最大的輕工業(yè)用途之一。
常溫下,純鋯的表面會(huì)吸收氧氣,形成具有光澤的氧化膜,外觀看起來(lái)很像鋼。
高溫時(shí),鋯大量吸收氧、氫等氣體,是很好的貯氫材料。
鋯可用來(lái)脫氧、去硫等,被稱為冶金工業(yè)的“維生素”。
以鋯為基礎(chǔ)加入錫、鈮等金屬,可發(fā)揮鋯的抗腐蝕性的特性,制成含鋯合金,用于制造各種精密零件。
軍工和航天航空方面,鋯不但是制造坦克、大炮、裝甲車等的重要原材料,還是發(fā)展原子能工業(yè)不可或缺的材料,在大型核電站、核潛艇、宇宙飛船、火箭等制造上大顯身手。
鋯最受人關(guān)注的運(yùn)用莫過(guò)于5G領(lǐng)域。
5G手機(jī)的背板、濾波器、指紋識(shí)別模組等關(guān)鍵電子元件的原材料之一,即是氧化鋯粉體。
種種運(yùn)用表明,鋯是當(dāng)之無(wú)愧的“原子能時(shí)代的頭號(hào)金屬”。
我國(guó)鋯工業(yè)蓄勢(shì)待發(fā)用途廣導(dǎo)致需求量大,需求量大導(dǎo)致其重要性愈加凸顯。隨著世界各國(guó)對(duì)鋯金屬重視程度的增加,鋯資源也日漸成為國(guó)際礦物市場(chǎng)的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)。
我國(guó)的鋯工業(yè)雖然起步較晚,但發(fā)展迅速。
上世紀(jì)70年代,受國(guó)外鋯礦開采和氧化鋯研究的影響,國(guó)家開始著手氧化鋯的實(shí)用性研究,并隨即確定了用氫氧化鈉與氯化鋯反應(yīng)制取氧化鋯的生產(chǎn)工藝。
1978年,國(guó)家建立了江蘇宜興化工廠,這是我國(guó)第一家氧化鋯生產(chǎn)廠。此舉也成為我國(guó)鋯工業(yè)發(fā)展的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。
時(shí)至今日,海南文昌、廣東湛江等地都有鋯生產(chǎn)基地。
我國(guó)的鋯資源儲(chǔ)備少,目前國(guó)內(nèi)鋯金屬僅有50萬(wàn)噸,占世界總量的0.6%。而我國(guó)又是世界上最大的鋯資源需求國(guó),年需求總量超過(guò)120萬(wàn)噸(2020年)。因此前幾十年鋯金屬主要依靠進(jìn)口。

針對(duì)以上實(shí)情,專家提出三種解決思路,包括提高開采技術(shù)、加大勘探力度、優(yōu)化生產(chǎn)工藝及讓應(yīng)用更加合理。
其中第三種思路的實(shí)踐效果更明顯。2022年,中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究院在氧化鋯透明陶瓷研究方面取得突破性進(jìn)展,而前文所說(shuō)中國(guó)民航大學(xué)團(tuán)隊(duì)研發(fā)適用于氧化鋯與鈦合金的耐高溫膠,也值得一書。
相信只要科學(xué)家和科研團(tuán)隊(duì)不懈努力,產(chǎn)業(yè)快速實(shí)現(xiàn)升級(jí),不但我國(guó)依靠進(jìn)口鋯的現(xiàn)狀完全可以改變,而且這種曾被誤認(rèn)為構(gòu)成鉆石的稀有金屬也會(huì)發(fā)揮更多更大的作用。參考文獻(xiàn):
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