古往今“铼”——大展身手

> 天上人间 姚 咏/摄

伴随着我国航天事业的腾飞,其技术中最复杂的工程机械系统核心部件里所必需的元素“铼”,逐渐成为新闻追逐的焦点与资本眼中的新宠。铼作为一种难得的金属元素,比黄金还昂贵、比钻石还难得,有着“战略金属”“航空金属”“超级金属”等美称。那么,铼究竟是一种什么样的元素呢?它有哪些特性?有多少储量?分布在哪里?可以用来做些什么?

原“铼”如此——铼的发现和特性

1925年,德国科学家塔克、诺达克和贝格利用X光谱分析他们采自乌拉尔的铂矿石时,无意之中发现了一种此前从未见过的金属元素,于是便将它命名为Rhenium,也就是铼。铼元素符号为Re,在元素周期表中位于第6周期第7族,并被称为人类发现的最后一个自然元素。

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图片来源：mindat.org

铼是地球上一种极为稀少的金属元素,在地壳中的丰度很低,在地球演化过程不形成或极少形成独立矿物,而是以类质同象的方式赋存在其他矿物中,故属于分散或稀散元素。1928年,科学家诺达克在实验室里从660千克辉钼矿中分离得到了最初的1克铼金属。

铼是一种有光泽的银灰色金属,可一旦接触潮湿的空气,表面光泽便会逐渐消失。一般来说,海绵状或粉状的铼金属更加活泼,在潮湿的空气中可缓慢氧化成含氧酸;块状的铼在空气中则稳定一些,而致密纯铼片的金属光泽可保持延续数年之久。

铼有很多优点,纯铼质软,易加工,机械性能好。其熔点（3 180℃）和沸点（5 627℃）极高。虽然铼的熔点很高,但是在空气中将铼加热到350~400 ℃时便会燃烧生成Re2O7并升华。Re2O7挥发性很高,且易溶解于水和含氧溶剂中。此外,铼既不能与氮气反应,也不与碳发生反应。它是难熔金属中唯一不与碳生成碳化物的元素,但神奇的是它又可溶解0.8%的碳成为固溶体,也可与1.3%的碳形成可吸收氢气的共熔体。

金石之“铼”——资源和用途

瑰丽身影

铼,极其分散,自然界中很少有独立的铼矿物,它主要以微量的形式存在于各种硫化物及硅酸盐矿物中。世界上发现的第一个铼矿物产自哈萨克斯坦中部的砂岩型铜矿。1994年,《自然》杂志上的一篇文章称,在俄罗斯远东地区千岛群岛上的Kudriavy火山口发现了纯铼矿物Rheniite,主要成分为ReS2。这是迄今为止世界上发现的唯一的纯铼矿。

目前已发现的含铼矿物共5类61种,主要产出于钼矿床、铜—钼矿床、铀—钼矿床、铜—镍矿床、镍—钼—PGE矿床、铀—铜矿床、钼—硒—铜矿床、钨矿床、砂岩铀矿床、含钼和钒的含铜页岩及硫质—硅质页岩矿床以及褐煤中,而其中可被综合利用的主要是各类钼矿或铜—钼矿伴生的铼及超基性岩中铂族元素伴生的铼。

现阶段,全世界范围内的铼的主要产量来自辉钼矿。早在1929年,科学家就认识到辉钼矿是铼在自然界中最主要的载体,这是因为铼与钼的地球化学性质相似,两者具有相近的离子半径和电负性,从而伴生在一起。因此,铼主要从钼矿或铜—钼矿中产生。

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存身何处?

据统计,全球共查明铼储量约10 306吨,其中伴生于铜—钼矿的约9 500吨,伴生于钼矿的约3 500吨,主要分在美国、智利、加拿大、墨西哥和秘鲁等地。约93%的铼资源分布在西半球,而其中约99%的铼与辉钼矿或硫化铜矿物共生。因此,也可以说全世界范围内的铼主要储藏于盛产铜和钼的国家。

调查显示,我国铼矿山主要分布在辽宁、黑龙江、江苏、福建、河南、湖北、湖南、西藏和陕西等省份,但是由于铼作为分散元素,现有的测试手段很难精确测出其含量。此外,煤和含煤岩系中伴生的铼也常常被忽视。但在总体上,我国铼的潜在资源量是不小的。

古往今“铼”——大展身手

说铼珍贵,除了物以稀为贵之外,更重要的价值体现在其用途上。

铼的用途非常广泛,覆盖生活的方方面面,比如,用于制作电发光材料、电视机显像管、家用恒温器、电炉丝、电源开关或按钮、电磁铁和半导体材料以及测量极高温度的设备,等等。在医学领域,铼同样有着重要应用,可用于制作医学和医疗设备的微管,如钨—铼合金主要用作X射线管中的靶子,甚至可以用于治疗恶性肿瘤的放射性药物。

铼的另一个与生活密切相关的用途是可作为铂—铼催化剂,用以生产无铅、高辛烷值的汽油。20世纪60年代末,铼—铂催化剂成功面世,并迅速在石油工业领域开创了“石油净化”的新时代。同时,由于铼在环保领域的地位日益凸显,导致其价格疯长。目前约90%的化工产品生产都需要采用含铼催化剂,最鼎盛时期的全球铼金属开采量的75%都要第一时间供给催化剂的制作,即便如此,仍供不应求。直到1978年斑岩型铜—钼矿大量开采,铼才趋于供求平衡。

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但是,金属铼最主要的用途并非催化剂的制作,而是在国防和航空航天领域。铼可以用于制作火箭引擎涂层、核反应堆的内衬、喷气发动机零部件（烧室、涡轮叶片和排气喷嘴）、燃气涡轮引擎和陀螺仪等,在现阶段已经成为无可替代的材料。

“铼”之不易——国产航空单晶叶片

航空发动机被称为“工业皇冠上的明珠”,技术门槛高、风险大、投入多及周期长。空心涡轮叶片是航空发动机的核心部件,其使用量占整个发动机的30%。20世纪90年代以来,伴随着发动机高推重比的要求,复合气膜冷却的单晶涡轮叶片的设计与制造逐渐成为制约航空发动机发展的核心技术,也是国内目前公认的最大技术难题,更有“一代叶片材料决定一代发动机”的说法。

航空发动机体现了经典力学在工程应用上逼近极限的技术,考验着飞行器能否在高温、高压、高速旋转的条件下持续工作。温度有多高?1 700℃以上甚至更高;压力有多大?50多个大气压,相当于蓄满水后三峡大坝底部压力的3倍;旋转有多快?转子每分钟旋转几万转,叶尖承受的离心力相当于40吨重卡车的拉力。要满足这些条件,主要是靠材料和工艺的创新发展。

铼的加入为这一难题的解决提供了创新点。由于铼的熔点为3 180℃,沸点为5 627℃,使其在航空航天工业发动机新型材料应用中成为最佳选手。铼的使用能显著提高单晶合金的高温性能和抗蠕变性能,同时还能提高叶片的抗氧化和抗疲劳性能。

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1988年,铼合金开始应用于飞行器的涡轮发动机上,自此也彻底改变了铼的需求结构,这种趋势由于20世纪90年代初新一代超合金技术的发展得到进一步加强。1998年,铼超合金生产商宣布增加超合金中铼的用量,即由原来的3%上升到6%,导致铼的需求急剧上升。进入21世纪,航空工业对铼的需求量大幅增加。其中,国外三大航空燃气涡轮发动机厂商是铼的需求大户：英国的罗罗（Rolls-Royce）公司铼需求量占28%,美国通用电气（General Electric）占28%,美国普惠（Pratt & Whitney）公司占12%。目前,全球约80%的铼用于生产航空发动机单晶叶片。

虽然单晶叶片生产在国外是成熟技术,但技术封锁导致我国航空业多年存在航空发动机难以国产化的问题,严重影响国防安全,被视为我国高端制造业的“心脏病”。然而,中国的科学家们经过不懈努力,终于攻克难关。目前,国内承温最高、综合性能最好的DD6第二代单晶合金含铼2%,DD22第四代单晶合金含铼量增加到4.5% ~ 6%,第五代含铼高温合金材料及单晶涡轮叶片目前正在研制中。

从航空发动机的发展历程来看,随着技术的进步,铼越来越多地用作生产高性能单晶高温合金材料,并用于制造航空发动机叶片。全球第一代用于生产航空发动机的单晶合金不含铼;第二代单晶合金部分含2%~3%的铼;第三代单晶合金含铼大于5%,部分达到7%;第四代单晶合金含铼4%~5%;第五代单晶合金含铼6%左右。含铼量增加,正在成为航空发动机叶片单晶合金化学成分的主要特征和发展趋势之一。但由于铼的价格极其昂贵,要降低航空发动机的研发及制造成本就需要寻找更多的铼资源。

古有“嫦娥奔月”“舜帝的斗笠”等神话传说,后有春秋时期的“木鸢”（风筝的起源,英国博物馆把风筝称为中国的第五大发明）、三国时期的“古火箭”和“孔明灯”、《封神演义》（明朝成书）中的“雷震子”以及明代学者万虎火箭载人飞行试验,无不展现了中国古人对天空的向往。让我们寄希望于在新时代,尽早实现完全自主发动机量产,真正实现中国人的飞天梦。

如今大家讨论最热烈的量子计算机,也离不开铼。历史向我们展示,20世纪中期以来,铼的应用从添加剂到催化剂到航空发动机再到量子计算,每一次技术革新均带来铼需求的增长与希望。可见,大到军工产业,小到生活必备,乃至科学前沿,大国、小家、科学家都离不开铼。

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