中国中冶恩菲 王玮玮 杜尚超钪在新材料中的应用及钪资源开发
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2019-03-24 21:33:42
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中国中冶恩菲 王玮玮 杜尚超钪在新材料中的应用及钪资源开发

钪在新材料中的应用及钪资源开发
2017-07-28 08:37 天文航空/技术/化学
钪在新材料中的应用及钪资源开发
中国恩菲 王玮玮 杜尚超
摘要:钪是稀土元素的一种,是应用于诸多国防军工及高科技领域的不可替代的战略资源。本文首先介绍了钪在新材料领域中的应用,包括在铝钪合金、燃料电池、钪钠卤灯、示踪剂、激光晶体、特种钢和有色合金中的作用,并分析了它们的具体应用领域。随后分析了制约钪规模化应用的因素,并简要介绍了当前钪资源的生产开发状况。中国恩菲工程技术有限公司自主开发了从红土镍矿提钪的技术。
一、钪在新材料中的应用
钪因其自身特殊物理、化学性质,已用于制备铝钪合金、燃料电池、钪钠卤灯、示踪剂、激光晶体等产品,在特种钢铁、有色合金、高性能陶瓷、催化剂等领域有着广阔的应用前景。当前众多应用中,铝钪合金、燃料电池和钪钠卤灯对钪产品的需求量最大。钪在新材料中的应用情况如表1所示,详细情况如下。
表1. 钪在新材料中的应用情况
应用领域
作用或效果
铝钪合金
铝中加入钪可有效提高合金的性能,对强度、硬度、耐热性、耐腐蚀性和焊接性等有明显提高。
固体燃料电池
氧化钪稳定铈锆粉作为固体氧化物燃料电池电解质材料,实现了在低温条件下高电导率,改善了电池性能。
激光材料
加入钪后的新型钆镓钪激光材料其发射功率可提高2~4倍,在军工领域获得较好使用。
电光源材料
钪钠卤素灯是高压蒸气因电弧放电而发光,具有亮度高、光色好、节电、寿命长、破雾能力强等优点。
特种钢和有色合金
钪可显著改善钢铸件性能;钪可显著提高镍、铬和钨基耐热高温合金抗氧化性;钪可大幅提高高铬合金的焊缝拉伸强度等。
其它材料领域
钇铁石榴石加入少量钪可改进其磁性;碳化钪是耐高温材料,可用于半导体器件等。
1、铝钪合金
铝合金中添加微量钪可以大幅提升铝合金的强度、塑韧性、耐高温性能、耐腐蚀性能、焊接性能和抗中子辐照损伤性能,已作为结构材料用于航天、航空、核反应堆等领域,在舰船、高铁列车、轻型汽车等领域也有着广泛的应用前景。
在航天、航空工业中,铝钪合金的应用发展较快。俄罗斯研究的较为系统,且已实现工业化应用。他们已开发出四大系列14个牌号的铝钪合金,四个系列分别为热处理非强化可焊Al-Mg-Sc系合金;热处理强化高强度可焊Al-Zn-Mg-Sc系合金;热处理强化中强和高强可焊Al-Li-Sc系合金;热处理强化高强Al-Zn-Cu-Sc系航空合金。如Al-Li-Sc系合金作为飞机的结构材料,已用于米格-20、米格-29、图-204客机和雅克-36直升机等。国外其他一些国家已在大型民用飞机的承重部件用铝钪合金材料代替其他材料,以提高飞机的综合性能。
在核工业、舰船工业等领域,铝钪合金有较强的抗中子辐照损伤性能,可用于核反应堆的结构件中。因铝钪合金质量轻、刚度高、焊接强度大、低热开裂性、优良的抗疲劳性能在船舶承重件、高速列车结构材料、输油管等方面的应用均具有较大潜力。
2、燃料电池
固体氧化物燃料电池(SolidOxide Fuel Cell,SOFC)是一种电化学发电装置,已用于分布式区域供电,在大规模发电、新能源汽车等领域具有广泛的应用前景。掺杂的氧化锆因其具有优异的化学稳定性和和良好的氧离子电导率,已在SOFC中获得实际应用。氧化钪稳定的氧化锆体系具有较高的电导率,氧离子通过能力较其它金属掺杂的氧化锆体系,提高了1-2倍,可以在相同输出功率条件下缩小体积1/2-2/3。2013年,氧化钪稳定氧化锆燃料电池在美国和日本已经实现了商业化生产及应用。
3、钪钠卤灯
金属卤化物灯(简称金卤灯)是一种新型节能光源,具有高光效、高亮度、高显色、多色调、长寿命的特点,是高强度放电灯中最有竞争力的产品,被称为第三代光源,具有广阔的应用前景。钪钠卤灯是开发的最早的一种,在20世纪80年代初开始大批量的投入生产。
4、示踪剂
示踪剂是指为观察、研究和测量某物质在指定过程中的行为或性质而加入的一种标记物。目前国内外开采油田的主要方式是注水开发,一些能随流体运动的固体颗粒或化学药剂等被广泛应用于油田开发过程中。示踪剂分为三类,化学示踪剂、放射性同位素示踪剂、稳定性同位素示踪剂三种。大自然中稳定存在的钪同位素为45Sc,将钪放在核反应堆中,吸收中子辐射,原子核中多一个中子,形成46Sc,它的半衰期为83.79天。46Sc是人造放射性元素,在自然界中并不存在,可以极为精确地观察、研究和测量油井的地质特征,提高作业效率,还具有用量少、环境及人体危害相对较小的优点。美国2004年开始就将46Sc用于油井示踪剂,取得了极为良好的探测效果。
5、激光晶体
立方晶型的氧化钪具有高折射率、高带宽、高导热率等优异性能,因而作为激光材料受到人们广泛关注。当前钪激光基质晶体主要有Gd3Sc2Ga3O12(GSGG)和Y3Sc2Ga3O12(YSGG)两种,并衍生出掺杂其他稀土元素(例如钕、钇、铒等)多个系列的激光基质晶体。GSGG的优势为效率高,(Nd, Cr) : GSGG是同等条件下Nd : YAG的激光效率的2-4倍。另外,还具有强的抗辐射能力,易于长成大尺寸单晶。钪系列晶体在医学治疗、军事、金属加工、环境研究等领域展现出广阔的应用前景。由于钪的价格、供给稳定性等问题,钪系列晶体的发展稍晚,进入21世纪后,德国、美国和日本才实现了钪晶体的批量化生产并逐步推广应用。
6、特种钢和有色合金
钪的性质与其他稀土元素类似,并且性能更为优越,对于钢铁、有色合金中相关稀土元素的部分替代是完全可行的。钪可以改善合金的强度、硬度、耐热性能、耐腐蚀性能等,在合金领域中的应用前景非常广阔。钪使铸铁中石墨球化的作用比稀土元素更有效,可显著改善铸件性能;钪加到镍、铬和钨基耐热高温合金中,可显著提高其抗氧化性;高铬合金的焊接填料中添加钪,可大幅提高焊缝拉伸强度;钪加到Mg基或Ti基合金中,可使合金有较好的机械、电学、可塑和稳定性能。美国一直高度重视钪在合金领域的研究,研发历程已持续了20多年。
二、钪资源开发
前面介绍了钪在新材料中的应用情况,可以看出钪是一种可以应用于诸多国防军工及高科技领域的不可替代的战略资源。目前世界上美国、俄罗斯、日本等国家已开始了钪国家收储。我国正处于开发高附加值钪产品的阶段,进展速度快,预计未来以铝钪合金为代表的新材料对钪的市场需求将持续增长。铝钪合金的高强、高韧、耐蚀等性能将使其在我国大型飞机、高速列车、大型船舶以及汽车制造等领域的发展中发挥重要作用。
1、制约钪应用因素
当前制约钪大规模应用主要有下面几个因素:
一是钪的价格,价格昂贵严重制约了其应用的广度,尤其在以经济性为核心依据的民用领域,应用更为滞后。另外,钪价格大幅波动也影响了钪应用的推广。
二是钪的供给数量及稳定性,钪资源特性严重制约了钪产品的大规模生产及产量稳定的供应,这也是钪价格昂贵的根本原因。
三是钪的提取技术,现有的钪提取技术存在回收工艺复杂、成本高、回收率低的劣势,也是引起钪价格高的重要原因。
四是下游生产成本控制,目前获得应用的几个领域如铝钪合金、钪钠卤灯、燃料电池等,生产工艺复杂、技术含量高、附加值高、产品价格高,。
2、钪的生产状况
全世界钪的储量约为200万吨,拥有钪资源较多的国家依次为中国、美国、俄罗斯、澳大利亚等。在自然界中,钪是典型的分散亲石元素,钪很少能形成显著富集体(矿床),而是广泛地分散于各种造岩矿物中(特别是镁和铁的硅酸盐)和含钪矿物中。自然界中含钪的矿物多达800种以上,但氧化钪含量>0.05%的矿物很少。已知的钪独立矿物仅有钪钇矿等少数几种,且矿源很少,在自然界中较为罕见。目前,钪的主要来源是从钛白粉废液、稀土尾矿、赤泥,尚未见直接从钪独立矿物中提取钪进行生产的报道。
国外主要的钪生产企业有俄罗斯的运输公司、俄罗斯轻合金研究所和美国元素公司等。目前,澳大利亚Metallica、EMC公司计划开采三处澳大利亚钪矿床,以及日本住友金属矿山公司将在菲律宾开采矿山,合计年生产氧化钪的数量大于50吨。现国内钪主要生产厂家主要是湖南稀土研究院、东方钪业、东方锆业,原料主要是从钛白粉废液中提取,现湖南稀土研究院正在扩建。另外,还有几家产量在百公斤级的企业,主要是利用现有钛白粉厂及稀土分离厂。具体情况见表2。
表2. 国内氧化钪生产厂家及生产规模

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