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第17章 不怕“火”不怕“腐”

这里我们要给大家介绍两种不是很多见的元素,那就是铌和钽这一对“孪生兄弟”。

把这两种元素放到一起来介绍是很有道理的,因为它们在元素周期表里是同族,物理、化学性质又很相似,而且常常“形影不离”,在自然界中也总是伴生在一起,确实称得上是一对“孪生兄弟”。

早在19世纪初,当人们首次发现铌和钽的时候,还以为它们是同一种元素呢。后来大约过了42年,人们才使用化学方法第一次把它们分开,也是这个时候才知道它们是两种不同的金属。

铌、钽和钨、钼都是稀有的高熔点金属,它们在性质和用途上也有不少的相似之处。

既然被称为稀有的高熔点金属,铌、钽最主要的特点就是耐热。它们的熔点分别高达2400℃和将近3000℃,不光是一般的火烧不化它们,就是在炼钢炉里,烈焰翻腾的火海也奈何不了它们。在一些高温高热的特别是制造1600℃以上的真空加热炉里,钽金属是十分适合的材料。

一种金属的优良性能往往可以“移植”到另一种金属里。现在的情况也是这样的,用铌作合金元素添加到钢里,能够使钢的高温强度增加,加工性能得到改善。铌、钽与钨、钼、钒、镍、钴等一系列的金属合作,可以得到的“热强合金”,可以用作超音速喷气式飞机和火箭、导弹等的结构材料。科学家们在研制新型的高温结构材料时,已开始把注意力转向铌、钽;现在许多的高温、高强度合金都有这一对孪生兄弟参加。

铌、钽本身也很顽强,然而它们的碳化物却更有能耐,这个特点与钨、钼也毫无二致。用铌和钽的碳化物作基体制成的硬质合金,有很高的强度和抗压、耐磨、耐蚀本领。在所有的硬质化合物中,碳化钽的硬度是最高的。用碳化钽硬质合金制成的刀具,能抗得住3800℃以下的高温,硬度可以与金刚石媲美,使用寿命比碳化钨要长。

一、钽与外科医疗

在外科医疗上,钽也占有重要地位,除了用来制造医疗器械,还是很好的“生物适应性材料”。

用钽片能弥补头盖骨的损伤,钽丝用来缝合神经和肌腱,钽条代替折了的骨头和关节,钽丝制成的钽纱或钽网,可以用来补偿肌肉组织……

在医学上,钽条用来代替人体里折断了骨头,过一段时间后,肌肉居然能在钽条上生长起来,和在真正的骨头上一样。人们就把钽叫做“亲生物金属”。

为什么钽能有这样奇特的作用呢?

关键在于它有极好的抗蚀性,不会和人体里的各种液体发生作用,几乎完全不会损伤生物的机体组织,对于任何杀菌方法都适用,所以能与有机组织长期地结合而无害地留在人体里。

不光在外科手术中有这样的用途,利用铌、钽的化学稳定性,还能用它们制造电解电容器、整流器等等。

特别是钽,目前约有一半以上用来生产大容量,小体积,高稳定性的固体电解电容器。全世界每年都要生产几亿只。

钽电解电容器没“辜负”人们的厚望,它有很多其他材料所比不上的优点。

这种电容器比跟它一般大小的其他电容器“兄弟”的电容量大5倍,而且非常可靠、耐震,工作温度范围大,使用寿命长,现在已经大量地被用在电子计算机、雷达、导弹、超音速飞机、自动控制装置以及彩色电视、立体电视等的电子线路中。

二、超低温下的绝色表现

它们不仅能在极高的温度环境里顽强工作,在超低温的条件下也能出色地为我们服务。

我们都知道有个温度,叫“绝对零度”,它的零度相当于-273℃。现在绝对零度被认为是低到不能再低的低温了。

很早以前人们就发现,温度降低到接近绝对零度的时候,一些物质的化学性质就会发生突然的改变,变成了一种几乎没有电阻的“超导体”。物质开始具有这种“超导”性能的温度叫临界温度。而且,各种物质的临界温度并不一样的。

超低温度并不是很容易就能得到的,人们为此也付出了巨大的代价;越是向绝对零度接近,就越是需要付出较大的代价。所以超导物质的临界温度当然是越高越好。

具有超导性能的元素很多,铌的临界温度是最高的。铌合金的临界温度高达绝对温度18.5度到21度,目前是最重要的超导材料。

人们曾经做过这样的一个实验:把一个冷到超导状态的金属铌环,通上电流然后再断开电流,然后,把整套仪器封闭起来,保持低温。两年半以后,打开仪器,发现电流仍在铌环里流动,而且电流强弱跟刚通电时几乎完全相同!

这个实验说明,超导材料几乎不损失电流。如果用超导电缆输电,它没有电阻,所以电流通过时不会有能量的损耗,所以输电的效率也将大大提高。

有一种高速磁悬浮列车,它的车轮上安装有超导磁体,整个列车便可以在轨道上浮起约十厘米。这样,列车和轨道之间就没有了摩擦,前进的阻力被减少了。例如一列乘载百人的磁悬浮列车,只需一百马力的推动力,速度就能达到500千米/小时以上。

用一条长达20千米的铌锡带,缠绕在1.5米直径的轮缘上,绕组能够产生强烈而稳定的磁场,足以举起122千克的重物,并使它悬浮在磁场空间里。如果把这种磁场用到热核聚变反应中,把强大的热核聚变反应控制起来,那就有可能给我们提供大量的几乎是无穷无尽的廉价电力。

人们曾经用铌钛超导材料制了一台直流发电机。体积小、重量轻、成本低都是它的优点,与同样的普通发电机相比,它发的电量要大100倍。

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