铼的简史
铼的化学符号Re,原子序数为75,原子量186.207,属周期系ⅦB族。早在1872年俄国科学家门捷列夫根据元素周期律预言,在自然界中存在一个尚未发现,原子量为190的“次类锰”的元素。直至1925年德国化学家诺达克根据X特征谱线从铂族金属残渣中发现了这个元素,为纪念莱茵河命名新元素为rhenium。
后来诺达克又发现铼主要存在于辉钼矿,并从中提取了金属铼。铼在矿石中含量低,价格昂贵,长期以来对它研究较少。1950年后,金属铼才从实验室的珍品变成重要的新兴金属材料,在现代技术中开始应用,生产日益发展。中国在1959年开始提取铼,现已能生产全球所需的各种铼产品。
铼的性质
铼是银白色金属,熔点3180℃,沸点5600℃,密度21.02克/立方厘米。铼在常温下稳定,300℃时开始被氧化。高温下与硫蒸气化合成二硫化铼,与氟、氯、溴形成卤化物。铼的化学性质取决于它的聚集态,粉末状铼较活泼。铼的氧化态-1、+1、+2、+3、+4、+5、+6、+7。氧化物有Re2O、Re2O3、ReO2、ReO3、Re2O7。
铼在地壳中的蕴藏量极少,通常伴生在钼矿和铜矿中,也见于铀矿。 到1930年,铼的世界总产量也仅有3克。就是现在,全世界铼的年产量也只有几十吨,比其它金属少得多。
铼是高熔点金属,其熔点仅次于钨。铼的化学性质稳定,耐腐蚀性强,在空气中不被氧化,酸和碱对它的腐蚀作用很小。铼具有极高的机械强度,一根比头发还细的铼合金丝,能够承受七千克以上的重力。铼还有非常好的耐磨损、抗腐蚀性特征,其抗磨损力仅次于金属锇。此外,铼还有高电阻以及其它电学特性。
铼没有脆性临界转变温度,在高温和急冷急热条件下均有很好的抗蠕变性能。铼在高温下有非常好的耐热冲击性。
在冶金工业中,很多合金中添加入少量的铼,就能够大幅度改善提高合金的性能,这一现象被称为铼效应。
铼的应用
由于铼具有种种优异的性能,因此它已成为许多领域中使用的重要材料。全球铼产量的60%以上都用于制造喷射引擎的高温合金部件。铼的另一主要应用是在铂﹣铼催化剂,可用于生产无铅、高辛烷值的汽油。
高温合金:加入铼会提升镍高温合金的蠕变强度。镍基铼合金一般含有3%至6%的铼。第二代合金的含铼量为3%,曾用在F-16和F-15战机引擎中。第三代单晶体合金的含铼量则有6%,曾用在F-22和F-35引擎中。铼高温合金还用于工业燃气轮机。高温合金在加入铼后会形成拓扑密排相(TCP),因此其微结构会变得不稳定。第四代和第五代高温合金使用钌以避免这一现象。
其他铼合金:在钨或钼中加入适量的铼制成的钨铼合金或者钼铼合金,则具有良好的塑性,可以加工成各种结构材料,而且还保持高硬度、高强度和耐高温等特性。美国载人航天器上的不少零部件就是用这类铼合金制造的。在铬镍合金中添加少量的铼,能够大大提高合金的熔点和强度,用这种合金制作的零部件,其使用寿命可延长几倍至数十倍。
铼在工业测温、半导体、催化剂、核工业等领域的用途同样令人瞩目。钨铼热电偶丝有良好的电性能,丝材可用于高温热电偶及阴极丝。在真空、氢气、惰性气氛中使用,其使用温度范围0~2300℃。由于铼的蒸汽压低,电阻大,用在电阻加热时,具有良好的尺寸稳定性,可以实现较高的加热效率,且表面负荷比较高,半导体MOCVD设备的核心电阻加热器也是用铼材料制作的。
此外,铼的一种加工制品--铼带,可以用作原子能核工业热电离质谱仪上的灯丝。
催化剂: 铼﹣铂合金是催化重整过程中的一种催化剂。这种石油加工过程能够提高石脑油的辛烷值。用于催化重整的催化剂当中,30%含有铼。在矾土(氧化铝)表面涂上铼,可作为烯烃复分解反应的催化剂。含铼催化剂可抗御氮、硫和磷的催化剂中毒现象,因此被用在某些氢化反应中。
总之,随着材料科学的发展,铼及其合金得到了越来越广泛的应用。