近日，中國民航大學(xué)本科生團(tuán)隊成功研發(fā)出一種適用于氧化鋯與鈦合金的耐高溫膠（達(dá)1200℃），該膠有效解決了陶瓷合金間的高溫粘接難題，在航空航天領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

氧化鋯以高熔點、低熱膨脹著稱，是人工鉆石的主要原料。

作為構(gòu)成氧化鋯的主要元素，鋯在很長一段時間內(nèi)都被認(rèn)為是鉆石的主要構(gòu)成元素。

其實，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)并命名鋯元素僅200多年，近幾十年它才大放異彩，廣泛運用于輕工業(yè)、軍工、航天航空等領(lǐng)域，被譽為“原子能時代的頭號金屬”。

天然紅鋯石 （圖源見水?。?/p>

“金寶石”超受歡迎

公元1789年夏，德國科學(xué)家克拉普羅特對一種叫“金寶石”的東西產(chǎn)生了濃厚的興趣。

他知道這是一種含硅酸鹽的天然礦石，切割后會呈現(xiàn)出美麗的光，所以西方人一直在把它當(dāng)作一種特殊的軟鉆石。

2000多年前，古羅馬詩人奧維德在小說《變形記》中講道，血紅的“金寶石”是受太陽神庇護(hù)的幸運石。

“金寶石”的英文名Zircon來源于波斯文，原意是“金色之光”。事

實上，“金寶石”呈現(xiàn)出多種顏色：除血紅色外，還有無色、黃色、紫色、藍(lán)色等。

漂亮的“金寶石”受到古希臘、古羅馬、古印度等國人的喜愛，《圣經(jīng)》稱其是祭司佩帶的12種寶石之一，傳聞戴上它可以治療皮膚病、防止被雷劈……

各種顏色的鋯石（圖源見水?。?/p>

“金寶石”廣受西方人喜愛的另一個原因就是存量少，不易開采。

它們一般存在于水平線以下，鉆坑開采時常被水淹沒。

在其盛產(chǎn)地斯里蘭卡，人們開采“金寶石”之前要進(jìn)行祭拜，以求平安。

中世紀(jì)起，天然“金寶石”大都進(jìn)入收藏家的寶庫。

從發(fā)現(xiàn)到提純

具有豐富礦石研究經(jīng)驗的克拉普羅特從一位收藏家朋友處要來一顆小小的“金寶石”。

他把此物與氫氧化鈉放一起進(jìn)行高溫加熱，再把生成物放進(jìn)鹽酸溶液里進(jìn)行沉淀，并通過實驗濾去硅、鈉及雜質(zhì)，最后得到一種未知氧化物（沉淀物）。

他進(jìn)一步研究得知，此氧化物不溶于堿液和普通的酸液，化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定。

“分析化學(xué)之父”克拉普羅特（圖源：化學(xué)網(wǎng)）

生性謹(jǐn)慎的克拉普羅特查閱了很多資料，都沒弄清新得到的未知氧化物。

他把氧化物分成兩份，分別寄給法國化學(xué)家莫魯于（Morueau）和沃克蘭（Vauquelin），他們回信說沒見過此物，或許里面含有未知元素。

克拉普羅特從收藏家朋友處又要來一顆極小的“金寶石”，并進(jìn)行同樣的實驗后，確定未知氧化物里有一種與碳完全不一樣的未知元素。

根據(jù)波斯文“金色光”之意，他把該元素命名為“Zirconium”，化學(xué)符號為“Zr”。

若干年后西學(xué)東漸，清末科學(xué)家把此元素翻譯為“鋯”，“金寶石”即是大名鼎鼎的鋯石。

鋯原子（圖源見水?。?/p>

發(fā)現(xiàn)鋯元素只用了半年多時間，而提純它用了一個多世紀(jì)。

35年后的1824年，瑞典著名化學(xué)家貝齊利阿斯用氟鋯酸鉀與鉀加熱反應(yīng)，提取出純度達(dá)93%的鋯。這個紀(jì)錄保持了一個世紀(jì)。

1925年，荷蘭科學(xué)家德布爾和阿克爾用電熱絲分解四碘化鋯的方法制得含量達(dá)99%的純鋯。

又過了近20年，在科學(xué)家克蘇爾的指導(dǎo)下，美國礦物局工作人員于1944年實驗由鎂加熱四氯化鋯得到純鋯的方法獲得成功，開始成規(guī)模地制取金屬鋯。

也是從這一年開始，許多發(fā)達(dá)國家開始認(rèn)識到鋯的重要性，并投入人力物力財力進(jìn)行相關(guān)研究和試驗。

稀有金屬用途超廣

鋯是重要的稀有金屬，具有超高熔點、超強硬度、超級抗腐蝕性等特性，被廣泛運用于輕工業(yè)、軍工業(yè)、航天航空業(yè)等領(lǐng)域。

鋯塊（圖源：稀有金屬網(wǎng)）

工業(yè)方面，鋯可用作吸氣、冶金、鑄造合金等，其中吸氣劑是鋯最大的輕工業(yè)用途之一。

常溫下，純鋯的表面會吸收氧氣，形成具有光澤的氧化膜，外觀看起來很像鋼。

高溫時，鋯大量吸收氧、氫等氣體，是很好的貯氫材料。

鋯可用來脫氧、去硫等，被稱為冶金工業(yè)的“維生素”。

以鋯為基礎(chǔ)加入錫、鈮等金屬，可發(fā)揮鋯的抗腐蝕性的特性，制成含鋯合金，用于制造各種精密零件。

軍工和航天航空方面，鋯不但是制造坦克、大炮、裝甲車等的重要原材料，還是發(fā)展原子能工業(yè)不可或缺的材料，在大型核電站、核潛艇、宇宙飛船、火箭等制造上大顯身手。

鋯最受人關(guān)注的運用莫過于5G領(lǐng)域。

5G手機(jī)的背板、濾波器、指紋識別模組等關(guān)鍵電子元件的原材料之一，即是氧化鋯粉體。

種種運用表明，鋯是當(dāng)之無愧的“原子能時代的頭號金屬”。

我國鋯工業(yè)蓄勢待發(fā)用途廣導(dǎo)致需求量大，需求量大導(dǎo)致其重要性愈加凸顯。隨著世界各國對鋯金屬重視程度的增加，鋯資源也日漸成為國際礦物市場的熱點和焦點。

我國的鋯工業(yè)雖然起步較晚，但發(fā)展迅速。

上世紀(jì)70年代，受國外鋯礦開采和氧化鋯研究的影響，國家開始著手氧化鋯的實用性研究，并隨即確定了用氫氧化鈉與氯化鋯反應(yīng)制取氧化鋯的生產(chǎn)工藝。

1978年，國家建立了江蘇宜興化工廠，這是我國第一家氧化鋯生產(chǎn)廠。此舉也成為我國鋯工業(yè)發(fā)展的轉(zhuǎn)折點。

時至今日，海南文昌、廣東湛江等地都有鋯生產(chǎn)基地。

我國的鋯資源儲備少，目前國內(nèi)鋯金屬僅有50萬噸，占世界總量的0.6%。而我國又是世界上最大的鋯資源需求國，年需求總量超過120萬噸（2020年）。因此前幾十年鋯金屬主要依靠進(jìn)口。

采鋯的礦坑（圖源見水?。?/p>

針對以上實情，專家提出三種解決思路，包括提高開采技術(shù)、加大勘探力度、優(yōu)化生產(chǎn)工藝及讓應(yīng)用更加合理。

其中第三種思路的實踐效果更明顯。2022年，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究院在氧化鋯透明陶瓷研究方面取得突破性進(jìn)展，而前文所說中國民航大學(xué)團(tuán)隊研發(fā)適用于氧化鋯與鈦合金的耐高溫膠，也值得一書。

相信只要科學(xué)家和科研團(tuán)隊不懈努力，產(chǎn)業(yè)快速實現(xiàn)升級，不但我國依靠進(jìn)口鋯的現(xiàn)狀完全可以改變，而且這種曾被誤認(rèn)為構(gòu)成鉆石的稀有金屬也會發(fā)揮更多更大的作用。參考文獻(xiàn)：

1.《不一樣的元素故事：細(xì)數(shù)鋯的用途》，作者汪江，《自然-化學(xué)》專欄

2.《鋯基非晶合金組織及力學(xué)性能的研究材料》，作者俞劍，《長安大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版》2008年第2期

3.《我國鋯資源現(xiàn)狀分析及可持續(xù)發(fā)展建議》，作者申偉、張方方等，《中國礦業(yè)》2016年3月刊