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金属元素是化学元素的主体,是人们生产和生活的主要物质资源。对于金属的用途相比大家都略有了解。
钨(W) 在各种金属元素中,钨是难熔化和难挥发的金属元素。钨主要用于制造合金钢;纯钨则主要用于制造灯炮中的钨丝,也用于电子仪器、光学仪器等。
铬(Cr) 铬是银白色金属,硬度较高,具有抗腐蚀性,用于电镀和制造特殊钢材。本世纪,当人们致力于研究铬的坚硬性质时,无意中发现了它的耐腐蚀性,从而诞生了不锈钢。现在,不锈钢及镀铬制品已在医疗器械、饮具、餐具等领域得到广泛应用。
锰(Mn) 纯净的锰性坚而脆,难以在生产和生活中应用,但锰的合金则有广泛的用途。锰钢既坚硬、又坚韧,是制造铁轨、轴承、装甲板的理想材料。
锂(Li) 锂是轻而比热的金属元素。锂不仅用于制造**轻合金和锂电池,而且是技术的重要材料。锂合金在航天工业上可大大减轻重量而降低能耗,在原子能工业上有重要作用;在冶金工业中,锂常用作脱氧剂和脱气剂,以*金属铸件中的孔隙和气泡。
钛(Ti) 钛的比强度(强度与比重的比值)在所有金属元素中。钛及钛为主体的合金是新型的结构材料,质硬而轻,主要用于制造飞机、潜艇、耐腐蚀化工设备及各种机械零件。钛合金在-253~ 500°C的温度范围内,都可保持高强度,是理想的航天材料。在炼钢中,少量的钛还是良好的脱氧、除氮及脱硫剂。
纳米金属材料是形成纳米晶粒的金属与合金。具有晶界比例,比表面能,表面原子比例大等特点。粒径由100nm降至5nm,颗粒表面能与总能量之比由0.8%增至14%,晶界比例由3%增至50%,表面原子的比例增至40%,2nm时增至80%。具有特异性能:纳米可提高燃烧效率;含1.8%C的钢,纳米晶断裂强度可达4800MPa。
纳米固体中的原子排列既不同于长程有序的晶体,也不同于长程无序、短程有序的“气体状”固体结构,是一种介于固体与分子间的亚稳中间态物质。因此,一些研究人员把纳米材料称之为晶态、非晶态之外的“*三态晶体材料”。正是由于纳米材料这种特殊的结构,使纳米材料科学与技术之产生四大效应,即小尺寸效应、**效应(含宏观**隧道效应)、表面效应和界面效应,从而具有传统材料所不具备的物理、化学性能,表现出*特的光学、电学、磁学、催化、化学特性和**导性能等特性,使纳米材料在*、电子、化工、冶金、轻工、航空、陶瓷、核技术、催化剂、医药等领域具有重要的应用价值。
由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对纳米颗粒而言,尺寸变小同时其比表面积**增加,从而产生一系列新奇的性质。例如米颗粒对光吸收**增加,与大尺寸固态物质相比纳米颗粒的熔点会**下降,例如,2nm的金属颗粒熔点为600K,随着粒径增加,熔点迅速上升,块状金属为1337K。还有,小尺寸的纳米颗粒磁性与大块材料有明显的区别。一般固体的热运动于晶格振动,固体本身并不运动。而对于纳米金属粒子,除了晶格振动以外,颗粒整体也振动,结果使纳米金属粒子比导体中的电子自由程小,其磁畴比强磁性物质的磁畴小,有时甚至小于磁畴,从而呈单磁畴结构。
稀土金属(rare earth metals)又称稀土元素,是元素周期表ⅢB族中钪、钇、镧系17种元素的总称,常用R或RE表示。从1794年发现个稀土元素钇,到1972年发现自然界的稀土元素钷,历经178年,人们才把17种稀土元素全部在自然界中找到。稀土金属的光泽介于银和铁之间。稀土金属的化学活性很强。
钪和钇因为经常与镧系元素在矿床生,且具有相似的化学性质,故被认为是稀土元素。
与其名称暗示的不同,稀土元素(钷除外)在地壳中的丰度相当高,其中铈在地壳元素丰度***25,占0.0068%(与铜接近)。然而,由于其地球化学性质,稀土元素很少富集到经济上可以开采的程度。稀土元素的名称正是源自其匮乏性。人类种发现的稀土矿物是从瑞典伊特比村的矿山中提取出的硅铍钇矿,许多稀土元素的名称正源自于此地。
稀土是历史遗留的名称。稀土金属是从18世纪末叶开始陆续发现。当时人们常把不溶于水的固体氧化物称为土,例如把氧化铝叫陶土。稀土一般是以氧化物状态分离出来,又很**,因而得名稀土。稀土金属的化学性质很相似,所以在矿物生,但是钪的化学性质同其他稀土差别较大,一般稀土矿物中不含钪。**的钷初是从铀反应堆裂变产物中获得的,放射性元素147Pm的半衰期为 2.7年。过去认为自然界中不存在钷,直到1965年,芬兰一家磷酸盐工厂在处理磷灰石时发现了痕量的钷。
稀有金属是在地壳中含量较少,分布稀散或难以从原料中提取的金属。如锂、铍、钛、钒、锗、铌、钼、铯、镧、钨、镭等。按其物理、化学性质及生产方法上的不同可分为:(1)稀有轻金属,如铍、锂、铷、铯等;(2)稀有贵金属,如铂、铱、锇等;(3)稀有分散金属,如镓、锗等;(4)稀土金属,如、钪钇、镧、铈、钕等,(5)难熔稀有金属,如钛、锆、钽等; (6)放射性稀有金属,如钋、镭、锕、铀、钚等。
稀有金属主要用于制造特种钢、超硬质合金和耐高温合金,在电气工业、化学工业、陶瓷工业、原子能工业及火箭技术等方面。
稀有金属的名称具有一定的相对性,随着人们对稀有金属的广泛研究,新产源及新提炼方法的发现以及它们应用范围的扩大,稀有金属和其它金属的界限将逐渐消失,如有的稀有金属在地壳中的含量比铜、汞、镉等金属还要多。
有的稀有金属在物理-化学性质上近似而不容易分离成单一金属。过去制取和使用得很少,因此得名为稀有金属。19世纪即有稀有元素(rare elements)一词,20世纪20年代在此基础上定名为稀有金属。稀有金属开发较晚,所以有时还称为新金属(new metals)。*二次世界大战以来,由于新技术的发展,需求量的增大,稀有金属研究和应用迅速发展,冶金新工艺不断出现,这些金属的生产量也逐渐增多。稀有金属已经不稀。稀有金属所包括的金属也在变化,如钛在现代技术中应用日益广泛,产量增多,所以有时也被列入轻金属。
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