铌的应用

背景^[1-3]

铌是灰白色金属，熔点2468℃，沸点4742℃，密度8.57克/立方厘米。铌是一种带光泽的灰色金属，具有顺磁性，属于元素周期表上的5族。高纯度铌金属的延展性较高，但会随杂质含量的增加而变硬。它的最外电子层排布和其他的5族元素非常不同。同样的现象也出现在前后的钌（44）、铑（45）和钯（46）元素上。

铌在低温状态下会呈现超导体性质。在标准大气压力下，它的临界温度为9.2K，是所有单质超导体中最高的。其磁穿透深度也是所有元素中最高的。铌是三种单质第II类超导体之一，其他两种分别为钒和锝。铌金属的纯度会大大影响其超导性质。铌对于热中子的捕获截面很低，因此在核工业上有相当的用处。

铌

化学性质：室温下铌在空气中稳定，在氧气中红热时也不被完全氧化，高温下与硫、氮、碳直接化合，能与钛、锆、铪、钨形成合金。不与无机酸或碱作用，也不溶于王水，但可溶于氢氟酸。铌的氧化态为－1、+2、+3、+4和+5，其中以+5价化合物最稳定。

自然产生的铌由一种稳定同位素组成。截至2003年，已合成的放射性同位素共有至少32种，原子量在81和113之间。其中最稳定的是Nb，半衰期有3470万年；Nb是最不稳定的同位素之一，其半衰期估计只有30毫秒。比Nb更轻的同位素一般进行β衰变，比它重的则会进行β衰变。例外包括：Nb、Nb和Nb会进行少量β缓发质子发射，Nb会进行电子捕获和正电子发射，而Nb会同时进行正电子（β）和电子（β）发射。

已知的同核异构体共有25种，质量数介乎84至104。这个质量区间内的同位素中，只有Nb、Nb和Nb不具有同核异构体。最稳定的铌同核异构体是Nb，半衰期为16.13年；最不稳定的是Nb，半衰期为103纳秒。除Nb进行少量电子捕获之外，所有同核异构体的衰变方式都是同核异构体转换或β衰变。

应用^[4][5]

用于金属铌的渗氢行为研究

以不同晶粒度的铌为研究对象,通过尝试机械磨抛、离子溅射以及超高真空退火等手段去除铌表面去氧化层工艺,制备了相对“洁净”铌表面,同时考察了其氢、氘的渗透特性。分别对两种不同冶金工艺的原始铌以及机械抛磨后的铌进行表面成分和微观结构分析,发现两种铌的晶粒尺寸分别为10～200μm和200～500 nm。根据晶粒尺寸,将其分别命名为微米晶铌和纳米晶铌。

铌表面氧化层主要为Nb205,通过机械磨抛可以去除铌表面大部分氧化物,剩余氧化层很薄,约为20 nm。采用高真空退火结合离子溅射手段原位研究了机械磨抛后铌表面的成分变化,结果表明:超高真空退火和氩离子溅射可以有效去除铌表面残存的氧化膜,获得较“洁净”铌表面。采用机械磨抛法去除铌表面氧化物后,采用气相驱动法研究了温度区间（600～750℃）和气体压强（50 KPa）下氘在微米晶铌和纳米晶铌中的渗透行为。

研究结果表明:微米晶铌的氘渗透率、扩散系数和溶解度常数与温度T关系式为:Φm,=2.45×l0-8exp（-6309.9/T）mo1·m-1·s-1·Pa-0.5,Dm＝1.60×10-6exp（-10511/T）m2·s-1,Sm=1.53×10ˉ2exp（-34927/T）mol·m-3·Pa-0.5;纳米晶铌的氘渗透率、扩散系数和溶解度常数与温度T的关系式为:Φn=3.23×10ˉ6exp（-6656.5/T）mol·m-1·s-1·Pa-0.5,Dn=2.59×10-6 exp（-10342/T）m2·s-1,Sn=7.20×10-1exp（-35712/T）molm-3·Pa-0.5。

对比纳米晶铌和微米晶铌,发现前者的渗透特性更好。通过气相驱动法研究了温度区间（600～800℃）和气体压强（50 KPa）下氢和氘在纳米晶铌中的渗透行为,研究结果表明,氢、氘渗透率与温度T与温度的Arrhenius关系式为:ΦH=4.98×10-6exp（-6406.9/T）mol·m-1·s-1·Pa-0 5和ΦD=3.51×10-6exp（-6418.8/T）mol.m-1·s-1·Pa-0.5。

相同温度和压力下,氢气在铌膜中的渗透率高于氘气在铌膜中的渗透率,二者比值约为φH/ΦD=1.44,与理论值接近,满足同位素效应关系。与其它致密金属膜相比,相同温度下,本文铌的氘渗透系数高于CLAM钢1个数量级,310奥氏体不锈钢5个数量级,略低于Pd8.5Y0.19Ru合金1个数量级。

参考文献

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[3]Peculiarities of hydrogen permeation through Zr-1%Nb alloy and evaluation of terminal solid solubility[J].E.A.Denisov,M.V.Kompaniets,T.N.Kompaniets,I.S.Bobkova.Journal of Nuclear Materials.2016

[4]Changes in microstructures and hydrogen permeability of Nb 30 Hf 35 Co 35 eutectic alloy membranes by annealing[J].Erhu Yan,Lixian Sun,Fen Xu,Yongjin Zou,Hailiang Chu,Huanzhi Zhang,Yixin Sun.International Journal of Hydrogen Energy.2015

[5]周燕燕.金属铌的渗氢行为研究[D].西南科技大学,2018.