中國粉體網(wǎng)訊 稀有金屬包括鈮、鉭、鋰、鈹、鋯、鉿、鍶、銣、銫等9種元素，因為稀缺而且用途非常重要和廣泛，所以得到全世界的特別關(guān)注。本文主要介紹鋰、鈹、鈮、鉭、銣、銫這6種稀有元素的性質(zhì)、賦含礦物及應(yīng)用。
1.“鋰”的家族群
1）鋰（Li）
鋰的克拉克值為30ppm，是較分散而又廣泛分布的元素，主要在巖漿結(jié)晶作用的晚期階段富集在偉晶巖中；花崗巖中含量最高，其次是堿性巖。礦床中經(jīng)常與鈹、銣、銫、鉭等有益元素共生。
目前，已知含鋰的礦物有150多種，呈獨立礦物形式的有30多種，主要工業(yè)鋰礦物有鋰輝石、鋰云母、透鋰長石、磷鋰鋁石、鐵鋰云母等。川西稀有金屬礦集區(qū)中的鋰資源基本以鋰輝石形式產(chǎn)出。
鋰輝石，化學成分LiAl[Si2O6]。一般Li2O含量7%左右；晶體呈柱狀、板狀、針狀，顏色可呈無色、灰白、淡紫、淡綠、淡黃、寶石綠色；條痕白色；摩式硬度6.5-7；比重3.03-3.22。
含鋰礦物
2）鈹（Be）
鈹?shù)目死酥禐?ppm，為顯著的親石元素。在花崗巖及霞石正長巖中的含量較高，在巖漿分異過程中富集于巖漿殘液中，經(jīng)常固結(jié)集中在巖石圈最上部，在地殼深部含量減少。
世界上已發(fā)現(xiàn)的鈹?shù)V物和含鈹?shù)V物有60多種，常見的礦物約有40多種，主要的工業(yè)礦物有綠柱石、硅鈹石（似晶石）、羥硅鈹石、金綠寶石（鈹尖晶石）和日光榴石。
綠柱石，化學成分Be3Al2[Si6O18]，一般BeO含量13%左右；晶體一般呈柱狀，呈綠色、黃色、淺藍色、紅色；條痕白色；玻璃光澤或樹脂光澤；性脆；硬度7.5-8；比重2.65-2.91。
含鈹?shù)V物
3）鈮（Nb）和鉭（Ta）
鈮和鉭的原子構(gòu)造類似，因此，兩者在物理化學性質(zhì)、地球化學性質(zhì)及礦物學性質(zhì)方面都很相近。鈮、鉭經(jīng)常共生，在巖石和絕大多數(shù)礦物中鈮和鉭的含量此消彼長。在成因上與堿性巖有關(guān)的礦物中鈮相對富集，與花崗巖有關(guān)的礦物中鉭相對富集。
鈮在地殼中的豐度為3.2ppm，鉭的豐度為2.4ppm。由于鈮、鉭的地球化學遷移行為不同，鈮開始早、收斂晚，鉭主要富集于晚期。所以鈮礦物種類多，分布廣；而鉭的變種少，分布不廣。目前，已知的鈮、鉭礦物和含鈮、鉭礦物有130多種，常見的有30多種。如鈮鐵礦-鉭鐵礦、鉭鐵礦、鉍鐵礦、褐釔鈮礦、易解石、鈮易解石、鈮鐵金紅石、燒綠石、錳鉭礦、重鉭鐵礦、黃釔鉭礦、細晶石等。鈮鉭礦物基本呈黑-棕紅色，半金屬光澤、油脂光澤，少數(shù)為金剛光澤；比重大，因此可用重選方式得以富集；化學成分極為復(fù)雜。
含鈮鉭礦物
4）銣（Rb）和銫（Cs）
銣在地殼中的豐度為90ppm。目前沒有發(fā)現(xiàn)銣的獨立礦物，呈分散狀態(tài)，常以類質(zhì)同象混入物出現(xiàn)在含鉀礦物中。工業(yè)來源主要從富含銣的鋰、鈹、鉀的礦物中提取。如鋰云母中含Rb2O3%、微斜長石（天河石）中含Rb2O0.3%、銫榴石中含微量銣等。
銫在地殼中的含量為20ppm。含銫的礦物有10多種，但銫的主要來源還是稀有金屬偉晶巖中的銫榴石和鋰云母。除此之外，銫還分散在其他礦物中，如綠柱石、黑云母、天河石和堇青石等。
含銣銫礦物
銫榴石，化學式Cs[AlSi2O6]nH2O。一般含Cs2O30%左右，晶體往往呈立方體、粒狀及致密塊狀，無解理；顏色為無色、白色，有時帶灰、粉紅、淺紫等色顏色；性脆，硬度6.5-7；比重2.67-3.03。
2.“鋰”從哪里來
1）傳統(tǒng)礦山
在您印象中礦山是什么樣的？答案也許是偏遠、荒涼、破舊的廠房，艱苦的條件，又或許是漫天塵土、泥漿滿地、污水四溢，像這樣又或許是那樣……
2）綠色礦山
隨著時代的發(fā)展和綠色礦山建設(shè)的推進，如今的礦山早已不再是從前的樣子。先進的設(shè)備、一流的技術(shù)、現(xiàn)代化的廠房，一座座“花園式”的礦山正拔地而起。清潔生產(chǎn)，循環(huán)用水，大家再也不用擔心環(huán)境污染了！
3）“石頭”變“電池”
石頭是如何變?yōu)殡姵氐哪�？鋰輝石礦經(jīng)過采礦進入選礦廠，選礦廠采用物理方法分選出含鋰礦物，含鋰礦物經(jīng)過冶金處理成為碳酸鋰產(chǎn)品，再由產(chǎn)業(yè)部門深加工，最終脫胎換骨成為電池。
3.嶄新“鋰”程
1）鋰之應(yīng)用——走入尋常百姓家，健康美好新生活
隨著科技的快速迭代升級，鋰在日常生活中的應(yīng)用越來越常見。含丁基鋰的橡膠輪胎更加耐用，壽命比原來提高了4倍以上，讓駕車出行更加安心；鋰動力電池驅(qū)動的新能源汽車逐漸進入普通家庭，成為城市代步、環(huán)保出行的首選之一；鋰電池和其他鋰產(chǎn)品在娛樂設(shè)備上也得到廣泛應(yīng)用，為我們的休閑娛樂生活開啟了無限可能性；鋰的應(yīng)用在家中隨處可見，它為我們提供了便捷舒適的智能生活。
廚房里，添加了鋰的電磁爐面板等玻璃制品，可以使其變得更輕、更結(jié)實、更耐溶。鋰鹽可為蔬果進行“健康護理”，防止西紅柿腐爛和小麥銹穗病，讓人們吃得放心、吃得安心。鋰在醫(yī)學保健方面也有新的應(yīng)用，不僅可以強身健體，還能防治疾病，是人體健康的“守護者”。國外研究發(fā)現(xiàn)，鋰與阿爾茨海默病存在關(guān)聯(lián)，一款為中老年市場打造的天然礦泉水“鋰水”就此誕生。而鋰的用途還在不斷拓展中，從交通工具到健康護理，鋰的應(yīng)用遍布我們生活的每個角落，改寫了每一個人的生活方式。
新世紀嶄新的“鋰”程指日可待。
2）鈹之應(yīng)用——讓醫(yī)療成像、診斷和激光醫(yī)學走到科技前端的金屬材料
鈹，是僅次于鋰的輕金屬，主要是以鈹銅合金和鈹金屬的形式廣泛應(yīng)用于航空、醫(yī)學等領(lǐng)域，是新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展必需的戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源。目前，世界上只有美國、中國、俄羅斯等國具有工業(yè)規(guī)模的從鈹?shù)V石開采、提取冶金，到鈹金屬及合金加工的完整鈹工業(yè)體系。
①提高X射線成像效果
因為鈹金屬既可以穩(wěn)定地處理高溫阻抗，又可以實現(xiàn)對X射線的高度透明，鈹箔在醫(yī)療和科研X射線設(shè)備當中已經(jīng)使用了很長時間。鈹箔作為窗口來穿透聚焦的X射線，同時可以保持X射線發(fā)生管那一側(cè)的真空環(huán)境。
②使低輻射成為可能
鈹箔仍是CT掃描和乳腺X射線成像等高分辨率醫(yī)學成像設(shè)備中必不可少的材料。在新一代乳腺癌X射線成像設(shè)備中使用低輻射掃描可以得到更精細的腫瘤分辨率，使許多早期可治療階段的乳腺癌被及時發(fā)現(xiàn)，治愈乳腺癌成為可能。
③改善X射線光管強度和穩(wěn)定性
作為成像技術(shù)的前端科技，鈹持續(xù)為滿足X射線光管高強度、穩(wěn)定性、抗高溫、X射線穿透率等性能要求。
④光學激光器的小型化
使用氧化鈹?shù)尼t(yī)學激光器可以幫助眼科醫(yī)生為數(shù)百萬患者恢復(fù)或改善視力。具有高導(dǎo)熱、高強度、介電性能的氧化鈹是唯一能控制微小高功率氣體激光器的材料。
⑤簡化外科手術(shù)
銅鈹連接器將精確的電信號傳送到精密手術(shù)器械和最新的非侵入性外科技術(shù)的監(jiān)測裝置當中。這種技術(shù)減少了對病人的創(chuàng)傷和感染風險，同時加快了愈合和恢復(fù)的過程。
⑥分析血液
鈹還用于分析HIV和其他疾病的血液分析設(shè)備部件當中，給醫(yī)生和病人提供所需的精確性和可靠性數(shù)據(jù)。
3）鈮之新應(yīng)用——冉冉升起的電子材料之星
鈮行業(yè)全球市場集中度非常高，目前全球最大的鈮礦企業(yè)是巴西礦冶公司(CBMN)，占據(jù)全球市場80%-85%的產(chǎn)量，主要從事鈮產(chǎn)品的開發(fā)、工業(yè)化和商業(yè)化運營，是世界上唯一一家可以生產(chǎn)全系列鈮產(chǎn)品(包括標準鈮鐵、特殊牌號鈮鐵、真空鈮鐵、真空鎳鈮、鈮金屬和五氧化二鈮)的企業(yè)，對鈮價格的走勢具有較強的影響力，控制著全球鈮產(chǎn)品擴產(chǎn)計劃的進度。
具有超導(dǎo)性能的元素不少，鈮是其中臨界溫度最高的一種。而用鈮制造的合金，臨界溫度高達絕對溫度十八點五到二十一度，是目前最重要的超導(dǎo)材料之一。
2019年，材料領(lǐng)域國際頂級期刊《自然材料》發(fā)表了復(fù)旦大學修發(fā)賢團隊的最新研究論文《外爾半金屬砷化鈮納米帶中的超高電導(dǎo)率》。文章顯示制備出二維體系中具有目前已知最高導(dǎo)電率的外爾半金屬材料——砷化鈮納米帶，電導(dǎo)率是銅薄膜的100倍，石墨烯的1000倍。此次制備出的材料砷化鈮納米帶的電導(dǎo)率是銅薄膜的100倍，石墨烯的1000倍。業(yè)內(nèi)表示，導(dǎo)電材料是電子工業(yè)的基礎(chǔ)，現(xiàn)在最主要的材料是銅，已經(jīng)大規(guī)模運用于晶體管的互連導(dǎo)線。
4）鉭之新應(yīng)用——人體“親金屬”的神奇醫(yī)學材料
鉭作為一種金屬材料，具有優(yōu)異的力學性能和抗疲勞特性，因此被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學領(lǐng)域，尤其是在骨科領(lǐng)域。它可以替代人體骨組織，起到承重作用，目前已在臨床取得顯著療效。鉭金屬材料在與人體組織結(jié)合時，具有強度、生物相容性和穩(wěn)定性等優(yōu)點。因此，它比傳統(tǒng)金屬材料的人工置入物更具有優(yōu)勢，在醫(yī)學領(lǐng)域的發(fā)展前景十分廣泛。
研究和臨床應(yīng)用表明，多孔鉭金屬具有比金屬鈦和鈦合金更好的骨融合和骨傳導(dǎo)性能，運用鉭金屬材料制作的仿生骨骨組織長入良好，骨性生物固定優(yōu)良。未來，利用3D打印高致密度和高力學性能鉭金屬核心技術(shù)，將為我國在高端骨科植入物、醫(yī)療器械和難熔金屬工業(yè)部件發(fā)展領(lǐng)域做出積極的貢獻。
不僅如此，將鉭金屬與其他金屬材料結(jié)合應(yīng)用在臨床醫(yī)學中也取得了十分重要的突破。很多金屬材料因其獨特的性能可用于醫(yī)學領(lǐng)域，但是由于缺乏生物相容性，不能將其優(yōu)點很好地應(yīng)用在臨床。為此，科研人員想到將耐腐蝕性強且穩(wěn)定的鉭金屬涂覆在這些金屬材料的表面，使那些有獨特性能但原先忌于低生物相容性而不能用于臨床的金屬材料重新用于臨床，并取得顯著療效。
5）銣之應(yīng)用——超視距精確授時，極佳光電傳感器件制造
全球獨立銣礦床非常少，下游應(yīng)用供應(yīng)鏈受限，已成為全球?qū)υ撛匕l(fā)展的約束要素。銣是自然界一種最大光電效應(yīng)的稀有分散元素，其合成材料在智能制造中逐漸開始發(fā)力。
銣因其極佳的光電效應(yīng)，在光電管、紅外輻射儀表、太陽能光電池等器件制造方面均實現(xiàn)了重大革命性變革。據(jù)外媒報道，太陽能電池在通往最高效率的道路上正在不斷改進中。德國國家可再生能源實驗室研究人員開發(fā)了一種新的太陽能電池，為了改善用于吸收可見光的鈣鈦礦與用于吸收紅外線的銅、銦、鎵和硒的混合物兩層之間的接觸，研究小組在它們之間添加了一層銣原子，團隊讓電池的峰值效率達到24.16%。
銣基設(shè)備材料精準計時功能助力集群醫(yī)用設(shè)備同步獲取精確時間信號。近年來，基于星載銣鐘開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)同步時間服務(wù)器在國內(nèi)衛(wèi)生部門得到良好的推廣，為醫(yī)院提供標準的網(wǎng)絡(luò)時間統(tǒng)計信息服務(wù)，也為局部輻射區(qū)域近萬臺網(wǎng)絡(luò)客戶端提供精度小于5毫秒的時間同步服務(wù)器，較大程度地改善了全區(qū)醫(yī)療機構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，包括：醫(yī)護人員的辦公PC及醫(yī)療設(shè)備、走廊、大堂子鐘系統(tǒng)等授時操作的統(tǒng)一性，充分實現(xiàn)了大數(shù)量集群精確醫(yī)療設(shè)備同步作業(yè)中時間的精準性保障。
銣基量子傳感器有望用于診斷房顫。心房顫動（AF）是一種導(dǎo)致心率異常的疾病，發(fā)作時心臟中傳導(dǎo)的電生理信號易出現(xiàn)紊亂行為。目前，常規(guī)用于檢測房顫的心電圖受到靈敏度、時間等諸多限制。據(jù)一項發(fā)表于《應(yīng)用物理學快報》的研究，科學家利用原子磁強計，通過基于銣的量子傳感器接受信號，成功對導(dǎo)電率與生物組織相近的溶液進行電磁感應(yīng)成像，可測出高導(dǎo)電性的區(qū)域。這項技術(shù)實現(xiàn)了非屏蔽環(huán)境下的小體積成像，且靈敏度較傳統(tǒng)技術(shù)提高了50倍，為房顫的快速臨床診斷帶來了希望。
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/茜茜）
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