钻石的「贵重铼」是什么?为什么航空工业的发展要依靠它?
据科学家介绍,铼是一种银色的重金属,化学符号Re,熔点3186,沸点5596。它是熔点和沸点最高的元素之一。它是地壳中最稀有的元素之一,估计含量为十亿,其中大多数与钼共生。
从性质上来说,铼只是一种熔点高、储量少的稀有元素,也是一些常见元素。但是,我要告诉你,从现代工业的角度来看,铼是非常重要的!甚至很多地质学家把它比作“珍贵的铼”。
经过询问,几位地质研究人员告诉我,铼这种稀有金属非常昂贵,因为它比钻石更难开采。从我查询到2013年8月,铼的平均售价为1 kg/4575美元。要知道当时的黄金价格才142.30$(美元)每金衡盎司。
因为铼可用于航空、火箭发动机燃烧室、涡轮叶片、排气喷管、高效喷气发动机等诸多尖端军事和工业领域。因此,铼的地位非常重要。但是,铼在上个世界被搁置了很久。
我查了一下资料,发现在1925-1950,由于当时的技术,人们对铼这种元素的认识普遍不够;而且由于铼的稀缺性,科学家只是把它放在实验室里进行研究,并没有对它进行合理有效的利用。
1950期间,因为美苏冷战,喷气式飞机发展迅速。洛克希德·马丁公司的工程师在研制飞机发动机时,发现机匣和涡轮叶片之间有很宽的缝隙,涡轮前面的温度会更低,叶片不会因为工作温度高而变形。
然而,工程师后来发现,涡轮前的温度每增加一次,发动机功率就会增加100%。比如著名的B-52轰炸机使用J57发动机时,涡轮温度1300k,推重比3-4;更换J59发动机时,涡轮温度为1500k,推重比升至5-6。
因此,工程师们首先改进了涡轮发动机。新发动机被命名为:涡扇发动机,也就是现在的主流发动机。它可以充分利用涡轮前的高温和风扇转动的能量,使发动机性能进一步提高。比如改进的J59,涡轮温度1700k,推重比7.5-8.5。
随着推重比的增加和涡轮温度的升高,工程师们发现由镍合金制成的涡轮叶片开始逐渐蠕变(变形),甚至与发动机机匣发生碰撞。这时,熔点仅次于钨的铼终于进入了大家的视野。
1970年,麦道公司在F-15发动机的涡轮叶片中混合了3%的铼,工程师们发现叶片具有优异的耐高温性能。2003年,科学家将铼的含量提高到了6%。这样一来,F-22的机动性得到了极大的提升,达到了惊人的2.25马赫(2410km/h)。
美国国家航空航天局发现,加入铼后,合金的高温蠕变强度会大大提高。因此,美国国家航空航天局将铼合金应用于火箭发动机的尾喷管。他们发现,铼合金制成的火箭喷管可以在2200的高温下烘烤654.38+万次而不产生热疲劳。
尝到甜头的美国国家航空航天局为了增加推力,一挥手就把铼合金用于阿波罗的飞船发动机和助推火箭发动机。铼作为地球上熔点最高的元素之一,被欧洲核物理学家视为受控核聚变反应堆内壁的替代材料。
此后,铼终于在现代人类工业中找到了自己的位置。然而,正如我前面所说,铼是一种极其稀缺的资源。根据美国地质调查局2015年公布的数据,全球铼储量约为2500t..其中智利以1300t最为丰富,美国390t,俄罗斯310t,哈萨克斯坦190t。
此后,世界上80%的铼用于航空发动机。据统计,仅通用电气、罗尔斯公司和普拉特公司三家航空发动机巨头就使用了全球68%的铼产量。因此,西方对铼的消费量巨大,每年达到70t。
虽然我国从1960开始勘探铼,但50年来一直没有大规模的储存。你知道:巧妇难为无米之炊,资源决定科技发展速度。作为涡轮叶片的主要材料,正是因为铼资源的稀缺,我国在航空发动机领域一直没有大的突破。
2010,地质学家在陕西洛南县发现大型铼矿,储量约176t;2017年,地质勘探队在安徽省泾县发现铼矿,探明储量30t,开发条件优越。最后,这些探明的铼矿帮助了我们的工业发展,迈出了坚实的第一步。
此前,中国大部分铼资源依赖进口。因为数量一直有限,自身产量不高,所以只能优先考虑航天火箭的发动机。今天,铼矿的发现使中国的航空航天工业得以迅速发展。
最近,中国科学家宣布,铼将用于航天器的涂层。众所周知,航天器往返太空时,由于与大气层的剧烈摩擦会产生高温,这对航天器的要求非常高。因此,科学家们看中了铼的高熔点,决定用铼作为航天器的涂层。