近年来我国发展迅速,尤其是航空航天科技以及军工科技的进步可以说震惊世界!但是,有一个问题一直在“拖后腿”——飞机、水面军舰、潜艇的发动机也就是常说的“心脏”问题。更有甚者,外界曾放言:“就算把F22飞机发动机图纸送给中国,他们也造不出F119!”可是我们的五代机J20迟迟不能变成完全体,核动力航母以及核潜艇的国产动力系统迟迟不能上线,这些又是不争的事实。这到底有何隐情?而近日陕西发现珍贵宝藏让美日发动机研究专家坐不住了,又是何原因?
中国陕西发现巨量珍贵铼矿
近日中国陕西发现珍贵宝藏究竟何物?就是铼矿!自1960年以来,我国地质工作者就开始对铼矿资源的勘探,前后历时几十年年,都没有太大的进展。期间,我国对铼元素的需求主要依赖于进口。随着我国各项科技的进步,对铼元素的需求日益增大,核心资源依赖进口严重制约相关科技的发展。
这次地质学家终于在对陕西洛南县一个钼矿床的勘探中有重大发现:这个巨大的钼矿床中伴生铼矿储量超30万吨。一举打破国际垄断,解除燃眉之急,我国再也不担心在材料资源方面被卡脖子。
材料界的明星——铼
一种元素能够引起各国科学家的关注必定非同一般。铼就是非同一般的神奇金属。首先是稀有!铼是地球上最稀有重金属元素之一,它在地壳中的平均含量还不到十亿分之一,铼也是化学界发现最晚的稳定元素。其稀有的第二个原因就是提纯难度高。早在门捷列夫发布元素周期表时就推测到它的存在。直到1928年德国的三位科学家沃尔特·诺达克、伊达·诺达克以及奥托·伯格才从六百多千克钼矿中提纯了1克珍贵的铼元素。
提纯的铼元素呈银白色,它的物理属性非常突出。内部呈六方密排晶体结构,熔点是所有元素中第三高的达到3180℃,同时拥有所有元素中最高的沸点达到常压下5900℃,同时铼金属、铼钼合金、铼钨合金都可以在超高温下成为超导体。同时铼金属在常温常压下其耐酸性达到可以抵抗王水的地步。铼元素,能同时拥有诸多优良属性,是材料界的“明星”。
神奇金属铼广泛的科学应用
基于铼元素突出的物理和化学性质,它被广泛应用于物理、化学各个方向的研究。首先铼元素最重要的应用就是它的各种合金的应用。主要是铼元素耐高温的特性,它能明显提升镍、钨金属的物理性质,使它们在高温下蠕变强度更高、可塑性增强、稳定性增加。因而铼合金是发动机叶片不可或缺的元素,也是铼元素最重要的用途。
同时铼钨合金是X射源、热电偶的主要材料。铼合金灯丝被应用于高端照明如:照相闪光灯。而铼元素稳定性高,耐磨损的性质又是它能成为自动清洗电触头的最好材料。还没完,铼合金还是重要的化学催化剂,在石油化工和某些氢化反应中不可或缺。看看铼元素参与的科学研究领域真是没有一个不是最尖端的。
铼最重要的应用——发动机制造
铼金属最重要的属性是其耐高温特性。从铼金属的发现到1950年之前,科学界对铼还知之甚少。加之数量稀少,铼研究仅仅停留在实验室阶段。
直到美国洛马公司在研发飞机发动机时的偶然发现,才点燃了铼元素应用的星星之火。在涡扇发动机的镍合金叶片中加入少量的铼可以大幅提升叶片的高温蠕变强度,随之而来的就是发动机推力越来越大,推重比越来越高。后来美国引以为傲的五代机F22所用的F119发动机就是得益于铼金属的应用。
我国工业化发展较晚,航空发动机的研发更是如此。并且航空发动机技术一直是各国军工的核心绝密。对我国更是严防死守,绝不会透露半分。除了整机技术,在零部件,尤其是材料科技方面我国更是落后较多。因此才有了那句狂言“就算把F22飞机发动机图纸送给中国,他们也造不出F119!”
众所周知我国的五代机J20已经列装部队,最新型号装备的是WS-10B发动机。得这也是我国自主研发的先进发动机,益于我们在材料科学方面的进步,其中就包括铼元素的合理应用,WS-10B各项指标已达先进水平。但是,要让J20完全发挥实力,它还在等待它的专属“心脏”:WS-15发动机。在研发先进发动机的过程中,铼元素不可或缺!
2022年中国的第三艘航母“福建舰”下水了,各项性能指标直至国际领先水平,能给它提供充沛动力的,也是我国自主研发的新型燃气轮机。燃气轮机的叶片也是跟铼元素应用密不可分的。
美国NASA在研究中,将铼合金应用于火箭发动机尾喷管,包括阿波罗发动机在内的所有火箭发动机推力大大提升。同时最新的研究中,铼元素的特性又被各国科学家应用于可控核聚变“人造太阳”发生器的内壁制造。
总结一下,天上飞的、海里游的、地上跑的凡是跟超高温沾边的研究,铼就是核心资源。无论是军工还是民用,铼的应用必定会越发广泛。未来我们要发展相关产业,对铼的依赖不言而喻。
美日等国在材料方面对我国的封锁
正是由于铼的重要性以及其稀缺性,使得铼被美日等国牢牢把控。有的国家是不希望其他国家尤其是中国轻易掌握像航空发动机这样的先进技术的。各个方向的围追堵截必不可少。在此之前仅通用、罗罗、普拉特三大航空发动机巨头的铼使用量就占到前世界的7成。而之前世界探明的铼矿储存量排名前三的国家是:智利、美国、俄罗斯。我国作为科技发展强国,铼使用量自然不可能少,但是,在此之前我国基本是靠进口。这使得我们随时会陷入被“卡脖子”的境地。毕竟,“芯片禁运”的血泪史还历历在目。
教训:我国在稀土矿产开发中曾出现的问题
这次陕西发现巨量铼矿对我国无疑是雪中送炭,简直是“梦想成真”。但是,笔者联想到之前我国另一种矿产资源的故事,又高兴之余生出了些许担忧。
稀土——是另一种稀有且应用广泛的矿产资源,它是一类元素的集合,被称为“工业黄金”。它的物理化学特性使得其广泛地应用于材料科学、军事制造、冶金工业、石油化工、玻璃陶瓷甚至农业培育等各个方面。同样涵盖了军工民用各个领域。
曾经在高峰期中国的稀土储量在世界储量中占比超过70%,到目前为止却仅仅占比不到四分之一。自1996年至2009年间,超过三分之二的稀土资源以低廉的价格流失海外。留在国内的只有不合理开发甚至是盗掘之后的满目狼藉。资源的流失、自然环境的破坏,给了我们沉重的教训。其原由一是部分人利欲熏心大肆盗采开发偷运。另外就是在发展过程中我们对材料技术的研究掌握太少。资源以极低的价格流失,而我们又花高价买回来别人加工提纯的成品。技术的落后让美日等国薅足了羊毛。
当然,这次陕西铼矿的发现解决了我们在科技发展中的燃眉之急。尤其是,关于航空发动机方面的研发提供保障。还记得J20首飞的消息一出,吓得西方各国又是惊叹又是一阵阵的“酸”。中国科学家在技术研发上的攻关能力让世界咋舌,技术封锁已然阻挡不了中国,他们又想在材料资源上限制中国。这次铼矿的发现又一次给了他们一个大大的“惊喜”,美日专家再也坐不住了,大呼再难遏制中国发展!
结语:
中国幅员辽阔地大物博,近年先后发现许多珍贵资源:石油、天然气、页岩气以及这次的铼矿。得天独厚的条件让我们在资源方面能够自给自足。当然这是无数地质工作者艰苦奋斗的成果。其实,从发现到实际应用还有很长的距离要走,如何合理开发这些资源同时又兼顾环境保护?如何避免像之前“稀土”矿产一样的流失浪费,是摆在我们面前的又一难题!
作者:胖天天 校稿:川川
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