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带你认识氧化铌电容中的铌(Nb)元素
2020年03月26日 发布 分类:粉体入门 点击量:1114
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Nb元素周期表排列41位,与V同属于第三副族。都说结构决定性质,性质决定用途,那么先来介绍一下Nb原子的结构,它最外层电子结构4d45S1,与V的最外层电子比有一个差异,3d34S2 ,可以到V最外层4S有2个电子,而Nb最外层5S只有1个电子。另外Nb要比V多一个电子壳,所以它的原子半径要比V大,而V与Fe半径基本相同。与V相同,它失去5个电子后会形成最稳定5价化合物。

那么,铌来自哪里呢?自然界中Nb基本与同族Ta共生,铌铁矿,(Fe,Mn)(Nb,Ta)2O6钶钽铁矿(Fe,Mn)(Ta,Nb)2O6,目前全球最大的Nb精矿位于巴西米纳斯吉拉斯州,另外一个矿位于戈亚斯这两个矿占了全球Nb矿供应75%的市场份额。

 

元素日常大家都很少见到,它主要出现于如下行业:

1.钢铁行业:的氧化物--氧化铌80%~90%都被消耗在钢铁行业中,氧化铌作为一种添加剂与铁矿石一起融化,脱氧,脱碳,脱氮等杂质元素。Nb钢铁掺杂性价比最高的一种微量元素,普通钢的屈服强度在250Mpa左右,而添入0.05%的Nb后其强度可以达到是350~800Mpa,换做其它元素没有如此明显的效果。Nb可以与钢铁中的杂质元素C,N,S结合形成稳定的化合物,,使钢的微晶更加分散,均匀,从而提高了材料整体的韧性。同时也降低了材料的脆性转变温度,使钢铁的焊接性能有明显提高。如下图可以看到在含有Nb的Fe-C-Mn钢材中,掺入Nb后,最终的铁素体晶相更加细小。

 

Nb掺杂钢带来的成本节约是非常明显的,同等目标强度条件下可大幅削减铁矿的应用,同时还可以使结构变的更轻,进一步降低了整体使用成本。

2.电子行业:目前全球高端的电容几乎都被钽电容囊括,其高的介电常数27几乎是铝的四倍多,由于钽电容稳定性, 因此成为严苛的环境电容的首选。然而氧化铌电容出现打破了钽电容在高电容的垄断地位,氧化铌在作为电容具有更加明显的优势:它介电系数更高,更耐热阻燃。氧化铌电容还有一个自愈特性,这种性能会使其信赖性寿命大大提高。目前氧化铌电容难以量产的原因在于高纯铌粉的获得,如前面提到,目前80%的铌都用于钢铁行业,铌电容目前面临的问题是如何与钢铁行业公用一个供货系统。

 

钽铌和铌氧化物粉末参数一览表

随着电子产业的发展,氧化铌电容或许会成为另外一个高附加值的应用行业。

3.超导行业:目前具有超导效应的金属中铌金属是最高的一个元素,1973年铌锗合金的超导温度提到到23.3K,该记录一直保持了13年,直到1986一种氧化物的将超导温度提高了35K,

随后氧化物超导呈现脉冲式爆发,随后在1987全球260多个研究小组投入研究,超导温度被迅猛拉升至40K,53K,100K,甚至有团队宣传在240K(-30℃),很快日本鹿儿岛大学开发出了287K(室温14℃),这堪称技术史上的奇迹,现在回头看看,氧化物虽然可以推高超导温度,但是其配比,稳定性仍不如铌锗合金稳定。

4.生物医疗:金属铌具有非常优良的亲生物性,因此铌线可以用来缝合神经以及肌腱,铌可以用来制作人工关节,甚至可以用来替代骨头,肌肉可以附着在铌表面生长。主要是应为它有极好的抗腐蚀性,不会与人体发生反应。

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