稀有金属材料是21世纪材料科学与工程领域中最受重视的材料之一,是高新技术发展的关键材料,这其中的新贵,就有铌与钽。

钢铁工业是铌的最大消费领域,2019年,我国含铌高强钢产量约8 000万吨,居世界第一位。铌高温合金和耐热合金是航空航天工业最优先选用的结构材料和热防护材料。铌的某些化合物和合金是目前最重要的超导材料,被广泛用于制造各种工业超导体。钽的主要应用是制造钽电容器、钽研磨材料、钽超级合金和钽光学玻璃等。随着现代高科技诸如信息技术、新能源技术、空间技术、生物技术、超导技术等的发展,铌、钽金属的需求量也随之加大。2018年铌、钽金属被多国政府列入关键矿产目录。那么,铌、钽究竟是何方神圣,分布在哪里?又有着哪些用途呢?

铌、钽在元素周期表中属于同族,物理、化学性质很相似,在自然界中 “形影不离”,如同一对“孪生兄弟”。1801年,英国化学家查理斯•哈契特在研究大英博物馆某一铁矿样品时,发现了一种新元素并把它命名为钶元素（Columbium,后改名为铌,这是为了纪念该矿物最早被发现的地方——哥伦比亚）。1802年,瑞典化学家安德斯•古斯塔夫•埃克伯格在钽铁矿中发现了另一种新元素,并参照希腊神话中宙斯之子坦塔拉斯(Tantalus)的名字,将此元素命名为Tantalum（钽）。由于钶（铌）和钽的性质非常相似,人们曾一度认为两者是同一种元素。直到1844 年,德国化学家罗塞详细研究了铌铁矿和钽铁矿,并成功分离出两种元素,才澄清事实。

铌（Nb）金属呈银白色,熔点2 468 ℃,沸点5 127 ℃,密度为8.66克/立方厘米。铌是一种难溶的稀有金属,具有耐腐蚀、抗变形、热电传导性能好的特点,被广泛应用于钢铁锻造及航空航天工业领域。铌在高温下具有极好的电子发射性能,热中子俘获截面积较小,是一种非常适合原子能反应堆的材料。此外,铌超导性能极佳,铌—钛和铌—锡合金被广泛应用于医学领域。

钽（Ta）金属呈银灰色,熔点2 996 ℃,沸点5 427 ℃,密度为17.1克/立方厘米,具有延展性好、蒸汽压低、热导率大、耐高温、抗腐蚀、冷加工和焊接性能好等特性。钽能形成稳定的阳极氧化膜,因此具有优良的整流和介电性能。

铌在地球中的平均含量为0.002%。钽的含量更低,为0.000 006%。由于铌、钽地球化学性质十分接近,在自然界中,两种元素常常在同一矿物中出现。几乎所有铌矿物中都有钽,钽矿物中都有铌,二者相伴相生,仅主次不同。世界范围内至今共发现72种铌钽矿物,其中绝大部分属于氧化物,其次是硅酸盐矿物。大部分铌钽矿物成分复杂。主要矿物有铌（钽）铁矿、烧绿石、黑稀金矿、褐钇铌矿、钛铌钙铈矿等。

铌钽矿主要形成于碳酸岩矿床、花岗岩及花岗伟晶岩矿床和砂矿床中,其中以碳酸岩矿床最为重要。据前苏联国外地质研究所统计,1989年世界铌储量中,含烧绿石碳酸岩（风化壳及原生）矿床占97.2％,稀有金属碱性花岗岩及花岗伟晶岩矿床占1.1％,稀有金属碱性交代岩矿床占0.7％,砂矿床占0.9％。钽矿床类型以花岗伟晶岩为主。超基性—碱性杂岩体中的碳酸岩可形成巨大的铌矿床,并常伴有磷、锆、铀、钍等元素。碱性伟晶岩及花岗正长伟晶岩中可形成黑稀金矿、褐钇铌矿等含铌钽矿物,伴生元素有钛、稀土元素及铀等。中国的铌钽矿主要有内蒙古包头的白云鄂博矿、内蒙古扎鲁特旗的花岗岩型铌矿、湖北竹山庙垭铌钽矿、陕西华阳川铀铌铅矿和江西宜春的铌钽矿等。

根据美国地质调查局2014年发布的数据,巴西的铌矿资源储量居世界首位（约为410万吨）,其次是加拿大（约为20万吨）。此外,中国、俄罗斯、美国、澳大利亚、尼日利亚、肯尼亚等国也有铌矿分布,但其品位低,资源禀赋差,开采成本高。中国铌资源量不少,却没有可供经济开采的储量,2013年查明资源量369.0万吨。

据英国地调局相关报告,截至2014年,全球钽资源量31.7万吨,主要分布于巴西、澳大利亚、非洲、东南亚、俄罗斯等国家和地区,其中南美洲占41%、澳大利亚占21%、非洲占16%、东南亚占10%、俄罗斯和中东占10%、北美洲和欧洲占2%、中国和南亚资源量共3.3万吨。据国内相关资料显示,截至2013年底,我国查明钽资源量10.2万吨,但品位超低,难采难选,这也直接导致我国钽供应对进口依存度高达90%。

铌、钽金属具有熔点高、延展性好、蒸汽压低、耐蚀性强和热导率高等优良特性,是电子、原子能、宇航、钢铁、化工等工业的重要原料,用途甚为广泛,可谓上天入地,神通广大。

用铌作为合金元素添加到钢铁中,能使钢铁的强度增加,改善其加工性能。在实际操作过程中,钢铁中仅需加入0.03%的铌,就可以让强度提升30%以上。通常,中碳钢的屈服强度为250兆帕,而加入很少的铌之后,屈服强度可以提升到350兆帕以上。钢中加入铌不仅可以提高钢的强度,还可以提高钢的韧性、抗高温氧化性和耐腐蚀性,降低钢的脆性转变温度,具有良好的焊接性能和成型性能。铁路桥梁和大型建筑的建设都离不开铌钢。1955年,武汉长江大桥开始建设,建设过程中1.2万吨高性能钢材甚至数以万计的螺丝钉都是从当时苏联进口的;而到了2000年,芜湖长江大桥建成通车,首次采用我国自行研制的高性能钢材14锰铌钢,其屈服强度高于日本、德国同类材料,仅从钢材这一项就节省了至少1.1亿元的成本,这是我国的含铌钢铁产业向国家交出的一份漂亮答卷。

许多高温、高强度合金都有这一对孪生兄弟参加。铌、钽本身很顽强,而它们的碳化物更有能耐。这个特点与钨、钼毫无二致。用铌和钽的碳化物作基体制成的硬质合金,有很高的强度和抗压、耐磨、耐蚀本领。在所有的硬质化合物中,碳化钽的硬度是最高的。用碳化钽硬质合金制成的刀具,能抗得住3 800 ℃的高温,硬度可以与金刚石匹敌,使用寿命比碳化钨更长。

铌的某些化合物和合金具有较高的超导临界温度（临界温度可达18.5~21℃）,是目前最重要的超导材料,因而被广泛用于制造各种工业超导体,如核磁共振成像设备、超导发电机、加速器大功率磁体、超导磁储能器等。目前,最重要的超导体材料是铌—钛和铌—锡,广泛应用于医学诊断的核磁共振仪。

铌钽具有良好的抗生理腐蚀性和生物相容性,不会与身体机体组织发生作用,因而常被用于制造接骨板、颅骨板骨螺钉、种植牙根、外科手术用具等。用钽条替代人体中的骨头时,肌肉还会在钽条上生长,因此,钽也被称为“亲生物金属”。

铌和钽的热强合金具有良好的热强性能、抗热性能和加工性能,广泛用于制造火箭、航空发动机的零部件、燃气轮机的叶片。大部分喷气式战斗机发动机的热部件都采用铌合金。1957年,美国全年工业用铌总量为10吨;而到了1967年,美国全年工业用铌的总量飙升到200吨。这10年正是美国阿波罗计划时期,火箭发动机和航空发动机需要大量的高熔点金属。C-103铌合金在宇宙飞船上的大量应用保证了“阿波罗计划”的成功实施。

铌酸盐陶瓷可用于制作电容器。铌酸锂、铌酸钾等铌酸盐陶瓷,具有介电常数小、压电性高、频率常数大、密度小等特点,被广泛应用于红外线、激光技术和电子工业中。此外,铌的熔点高,发射电子能力强,并具有吸气能力,可用于制作电子管及其它电真空器件。

由于钽的表面能形成致密稳定、介电强度高的氧化膜,易于准确方便地控制电容器的阳极氧化工艺,因此用钽制成的电容器,具有电容量高、体积小、漏电流小、等效串联电阻低、高低温特性好、使用寿命长、可靠性好等优点,被广泛用于通讯、计算机、汽车、家用电器、仪器仪表、国防军工等工业和科技方面。

铌钽金属除了以上应用外,还在其他诸多方面广泛应用。其中,在化学工业中,铌是优质的耐酸和耐液态金属腐蚀的材料,可用于制作蒸煮器、加热器、冷却器等。同时,铌酸也是一种重要的催化剂。铌有时会与金和银一起用在纪念币上。铌钽有助于增加镜片透光性能,因而也被应用到光学行业镜片的制造中。

总之,当前铌钽金属应用的相关高技术产业领域包括电子、硬质合金、宇航、生物医学工程、超导工业、精密陶瓷和精密玻璃工业、电声光器件、特种钢等产业。铌钽作为21世纪高新技术发展的新兴材料矿产,是保证我国矿产资源安全和国民经济稳定发展的关键矿产和战略资源。