這種曾被誤認為構成鉆石的元素，用途多得驚人！

近日，中國民航大學本科生團隊成功研發(fā)出一種適用于氧化鋯與鈦合金的耐高溫膠（達1200℃），該膠有效解決了陶瓷合金間的高溫粘接難題，在航空航天領域具有廣泛的應用前景。

氧化鋯以高熔點、低熱膨脹著稱，是人工鉆石的主要原料。作為構成氧化鋯的主要元素，鋯在很長一段時間內(nèi)都被認為是鉆石的主要構成元素。其實，科學家發(fā)現(xiàn)并命名鋯元素僅200多年，近幾十年它才大放異彩，廣泛運用于輕工業(yè)、軍工、航天航空等領域，被譽為“原子能時代的頭號金屬”。

天然紅鋯石 （圖源見水?。?/p>

“金寶石”超受歡迎

公元1789年夏，德國科學家克拉普羅特對一種叫“金寶石”的東西產(chǎn)生了濃厚的興趣。他知道這是一種含硅酸鹽的天然礦石，切割后會呈現(xiàn)出美麗的光，所以西方人一直在把它當作一種特殊的軟鉆石。

2000多年前，古羅馬詩人奧維德在小說《變形記》中講道，血紅的“金寶石”是受太陽神庇護的幸運石。“金寶石”的英文名Zircon來源于波斯文，原意是“金色之光”。事實上，“金寶石”呈現(xiàn)出多種顏色：除血紅色外，還有無色、黃色、紫色、藍色等。漂亮的“金寶石”受到古希臘、古羅馬、古印度等國人的喜愛，《圣經(jīng)》稱其是祭司佩帶的12種寶石之一，傳聞戴上它可以治療皮膚病，防止被雷劈……

各種顏色的鋯石（圖源見水?。?/p>

“金寶石”廣受西方人喜愛的另一個原因就是存量少，不易開采。它們一般存在于水平線以下，鉆坑開采時常被水淹沒。在其盛產(chǎn)地斯里蘭卡，人們開采“金寶石”之前要進行祭拜，以求平安。中世紀起，天然“金寶石”大都進入收藏家的寶庫。

從發(fā)現(xiàn)到提純

具有豐富礦石研究經(jīng)驗的克拉普羅特從一位收藏家朋友處要來一顆小小的“金寶石”。他把此物與氫氧化鈉放一起進行高溫加熱，再把生成物放進鹽酸溶液里進行沉淀，并通過實驗濾去硅、鈉及雜質(zhì)，最后得到一種未知氧化物（沉淀物）。他進一步研究得知，此氧化物不溶于堿液和普通的酸液，化學性質(zhì)十分穩(wěn)定。

“分析化學之父”克拉普羅特（圖源：化學網(wǎng)）

生性謹慎的克拉普羅特查閱了很多資料，都沒弄清新得到的未知氧化物。他把氧化物分成兩份，分別寄給法國化學家莫魯于（Morueau）和沃克蘭（Vauquelin），他們回信說沒見過此物，或許里面含有未知元素。克拉普羅特從收藏家朋友處又要來一顆極小的“金寶石”，并進行同樣的實驗后，確定未知氧化物里有一種與碳完全不一樣的未知元素。根據(jù)波斯文“金色光”之意，他把該元素命名為“Zirconium”，化學符號為“Zr”。若干年后西學東漸，清末科學家把此元素翻譯為“鋯”，“金寶石”即是大名鼎鼎的鋯石。

鋯原子（圖源見水?。?/p>

發(fā)現(xiàn)鋯元素只用了半年多時間，而提純它用了一個多世紀。35年后的1824年，瑞典著名化學家貝齊利阿斯用氟鋯酸鉀與鉀加熱反應，提取出純度達93%的鋯。這個紀錄保持了一個世紀。1925年，荷蘭科學家德布爾和阿克爾用電熱絲分解四碘化鋯的方法制得含量達99%的純鋯。又過了近20年，在科學家克蘇爾的指導下，美國礦物局工作人員于1944年實驗由鎂加熱四氯化鋯得到純鋯的方法獲得成功，開始成規(guī)模地制取金屬鋯。也是從這一年開始，許多發(fā)達國家開始認識到鋯的重要性，并投入人力物力財力進行相關研究和試驗。

稀有金屬用途超廣

鋯是重要的稀有金屬，具有超高熔點、超強硬度、超級抗腐蝕性等特性，被廣泛運用于輕工業(yè)、軍工業(yè)、航天航空業(yè)等領域。

鋯塊（圖源：稀有金屬網(wǎng)）

工業(yè)方面，鋯可用作吸氣、冶金、鑄造合金等。吸氣劑是鋯最大的輕工業(yè)用途之一。常溫下，純鋯的表面會吸收氧氣，形成具有光澤的氧化膜，外觀看起來很像鋼。高溫時，鋯大量吸收氧、氫等氣體，是很好的貯氫材料。

鋯可用來脫氧、去硫等，被稱為冶金工業(yè)的“維生素”。以鋯為基礎加入錫、鈮等金屬，可發(fā)揮鋯的抗腐蝕性的特性，制成含鋯合金，用于制造各種精密零件。

軍工和航天航空方面，鋯不但是制造坦克、大炮、裝甲車等的重要原材料，還是發(fā)展原子能工業(yè)不可或缺的材料，在大型核電站、核潛艇、宇宙飛船、火箭等制造上大顯身手。

鋯最受人關注的運用莫過于5G領域。5G手機的背板、濾波器、指紋識別模組等關鍵電子元件的原材料之一，即是氧化鋯粉體。種種運用表明，鋯是當之無愧的“原子能時代的頭號金屬”。

我國鋯工業(yè)蓄勢待發(fā)

用途廣導致需求量大，需求量大導致其重要性愈加凸顯。隨著世界各國對鋯金屬重視程度的增加，鋯資源也日漸成為國際礦物市場的熱點和焦點。

我國的鋯工業(yè)雖然起步較晚，但發(fā)展迅速。上世紀70年代，受國外鋯礦開采和氧化鋯研究的影響，國家開始著手氧化鋯的實用性研究，并隨即確定了用氫氧化鈉與氯化鋯反應制取氧化鋯的生產(chǎn)工藝。1978年，國家建立了江蘇宜興化工廠，這是我國第一家氧化鋯生產(chǎn)廠。此舉也成為我國鋯工業(yè)發(fā)展的轉(zhuǎn)折點。時至今日，海南文昌、廣東湛江等地都有鋯生產(chǎn)基地。

我國的鋯資源儲備少，目前國內(nèi)鋯金屬僅有50萬噸，占世界總量的0.6%。而我國又是世界上最大的鋯資源需求國，年需求總量超過120萬噸（2020年）。因此前幾十年鋯金屬主要依靠進口。

采鋯的礦坑（圖源見水印）

針對以上實情，專家提出三種解決思路，包括提高開采技術、加大勘探力度、優(yōu)化生產(chǎn)工藝及讓應用更加合理。其中第三種思路的實踐效果更明顯。2022年，中國科學院上海硅酸鹽研究院在氧化鋯透明陶瓷研究方面取得突破性進展，而前文所說中國民航大學團隊研發(fā)適用于氧化鋯與鈦合金的耐高溫膠，也值得一書。

相信只要科學家和科研團隊不懈努力，產(chǎn)業(yè)快速實現(xiàn)升級，不但我國依靠進口鋯的現(xiàn)狀完全可以改變，而且這種曾被誤認為構成鉆石的稀有金屬也會發(fā)揮更多更大的作用。

參考文獻：

1.《不一樣的元素故事：細數(shù)鋯的用途》，作者汪江，《自然-化學》專欄

2.《鋯基非晶合金組織及力學性能的研究材料》，作者俞劍，《長安大學學報：自然科學版》2008年第2期

3.《我國鋯資源現(xiàn)狀分析及可持續(xù)發(fā)展建議》，作者申偉、張方方等，《中國礦業(yè)》2016年3月刊

作者：魏德勇 廣東深圳市作家協(xié)會會員