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美国用铼卡中国脖子!航空业发展关键,中国如何破局?

  自新中国成立以来,西方一些国家对我们的封锁可以说一直就没停过,中国在很多地方也曾被他们"卡脖子"。
  而有这么一种金属"铼",它是世界上最稀有的元素之一,但它的作用却非常大,是关乎航空航天工业安全发展的重要材料,所以十分珍贵。但是过去,中国不但缺少这种资源,更缺少对其进行提纯和加工的技术,所以都需要从国外进口,而我们想要引进相关技术,却还被美国等国家重重封锁。
  但是后来,我国不但发现了重大的铼矿资源,并且通过努力,打破了美国的技术封锁。
  那么铼到底有哪些重要作用,为何说它关乎我国航空航天业的发展?中国又是如何在这个铼产业打破美国封锁的?
  全国人大代表、铜陵有色总经理丁士启已经在有色金属行业从业几十年,对本行业有着十分敏锐的嗅觉。而作为全国人大代表,他在近几年的全国人大会议上,连续几次提交议案,建议国家加快收储稀有金属材料铼,以保障我国航空航天工业的发展。
  虽然丁士启的提案,将铼进一步推向了公众的视野,但大多数人对这种稀有金属的认识,包括它对航空航天业的重要性,还是了解不多。
  铼是一种稀有化学元素,其化学符号为Re,原子序数为75。
  在19世纪60年代末,俄罗斯科学家门捷列夫将过去人类发现的元素进行归纳之后,发现了"元素周期表",并且根据这个元素周期表,门捷列夫预言肯定还有一些元素尚未被人类发现。
  而元素周期表中缺失的几种元素,包括第75号元素,也成为了很多科学家都孜孜以求,希望自己能够率先发现的新元素。
  之后直到1925年,德国科学家诺达克夫妇经过多年努力,在实验室中提取出了2豪克的75号元素,并以莱茵河将其命名为"铼"。
  铼也成为迄今为止,人类最后发现的一种稳定元素。
  不过也有说其实第一个发现铼的是日本科学家小川正孝,在1908年,这位科学家宣布自己发现了第43号元素,并将其命名为Np。但后来有人分析,他发现的并非第43号元素,而是第75号元素。只是那时候,诺达克夫妇已经正式发现第75号元素,并将其命名为"铼"了。
  铼是世界上最稀有的元素之一,有科学家估计它在地壳中的含量不到十亿分之一。并且在地球演化过程中几乎不形成或者极少形成铼的独立矿物,而是绝大部分都以类质同象的方式伴生于其它矿物,比如钼矿和铜矿之中,所以它属于典型的稀散元素,即又稀少又分散,开采难度也很大。
  而铼在被发现之后,却在挺长一段时间内,都没有什么大用处,平常基本上就是用于实验室的研究。
  一方面,就是因为这种金属太稀少也太难提取,所以非常珍贵;另一方面,则是这种金属实在太"稳定"了,以致非常难以进行加工。
  首先,铼的熔点超过了3180摄氏度,在所有元素中仅次于钨和碳,排在了第三位,而它的沸点则将近5600摄氏度,排在所有元素的第一位。
  而且它的密度也很高,排在所有元素的第四位,它具有六方晶体密排结构,所以性质非常稳定。在标准温度和压力下,铼金属块可以抵抗硫酸、盐酸和稀硝酸的腐蚀,甚至于连能够溶解黄金的"王水"都对其无可奈何。
  正是因为这种超强的稳定性,由于当时人类科技水平也比较有限,除了实验室研究外,人们都想不好有什么可以用到它的地方。
  只不过在进入50年代后,随着世界航空航天业的快速发展,铼终于派上了大用场。
  原来那时候,喷气式飞机开始成为主流,而科学家发现,喷气式飞机所采用的涡轮喷气发动机,随着涡轮前温度升高,其性能也会相应提升。为此,科学家发明出了涡扇发动机,可以更加充分利用涡轮和风扇旋转的能量,提升发动机的推重比,从而也可以提升燃油的利用率。
  可问题是,发动机随着涡轮前温度的不断上升,其使用的高温镍合金材料就更容易发生变形,进而损坏发动机。
  于是科学家们开始研究一种更加耐高温耐变形的材料,结果他们发现,在飞机的涡轮叶片中添加3%-6%的铼,其耐高温抗变形的性能就能明显得到提升。
  从此之后,铼便开始大量应用于飞机发动机,乃至火箭和飞船的发动机上面。比如美国许多民用飞机,还有F16和F22等战斗机,以及阿波罗飞船的发动机,都用到了铼。
  并且铼除了耐高温抗腐蚀外,金属可塑性和延展性也非常高,随着全球工业化发展,它的用途也变得越来越广泛。
  比如由于他的熔点很高,还可以作为航天火箭的涂层。航天火箭速度非常快,在穿越厚厚大气层的过程中,就会因为剧烈摩擦释放极大高温。所以为了保证火箭或飞船在高速运行过程中不会发生变形和熔化,人们一般会在火箭或者飞船表面涂上一层铼。
  尤其现在,为了节省成本提高效率,航天大国越来越倾向于使用可回收的能够重复利用的火箭和飞船,所以对它的材料要求也更高,包括要更加耐高温抗变形,因此对铼的需求也越来越大。
  同样的道理,铼也可以作为导弹的高温涂层,尤其那种高超音速导弹,速度能够达到20倍音速,其飞行过程中与空气摩擦产生的高温更是惊人,所以必须要用到铼。
  同理,铼也可以用用于制造特种白炽电灯泡的灯丝,人造卫星的外壳,甚至用于原子反应堆的防护板。
  并且科学家还发现,铼对很多化学反应都具有高度选择性的催化功能,所以常被人们用作石油化工等领域的催化剂。
  比如催化重整是石油炼制过程中提高汽油产量和质量的重要手段,而铼铂化合物则可以作为催化重整过程中的一种催化剂,提高重整反应的深度,增加汽油、芳烃和氢气等化工原料的出产率。
  目前,铼在航空发动机产业的用量最大,占到了其总用量的80%。并且随着全球民用航空市场的不断扩大,民用航空发动机的需求也将不断增长,而由于世界区域乃至整体局势都日趋紧张,军用航空发动机和火箭发动机的需求也在激增,所以据行业预测,未来10年,全球铼资源的需求会出现成倍的增长。
  所以铼资源在未来将显得更加稀缺,而根据美国地质调查局报告,全球已经探明的铼金属资源只有约2500吨,其中智利有约1300吨,占到了一半左右,美国约390吨,俄罗斯约310吨,还有哈萨克斯坦约190吨。
  不过美国的铼储量虽然不是最大的,可它不但每年消费了最多的铼,还控制着全球铼的供需体系。
  美国钼金属公司是世界最大铼生产商,它早早布局,以长期合同的形式,垄断性占有智利、墨西哥和哈萨克斯坦的大部分铼产量。
  并且多年来,美国还对所有本土铼产品和相当一部分进口铼产品进行了储备。
  在2018年5月,美国内政部发布了关于"35种关键矿物"最终名单,认为这些矿产品对美国国家安全和经济繁荣至关重要,需要采取措施增强保障能力,而铼就在这名单之中。
  这些年,俄罗斯、日本和欧盟等,虽然也意识到了铼的重要性,开始参与争夺铼资源,但由于入局太晚,都无法撼动美国在铼的供需链上的统治地位。
  至于中国,虽然在上世纪60年代就开始在钼精矿的焙烧烟尘中提取铼,只是由于我们工业发展起步晚,尤其是航空发动机产业,过去很长时间更是没怎么发展,所以对铼的需求比较小,也一直不怎么重视。
  直到进入21世纪后,随着中国工业,包括航空航天业快速发展,对铼的需求是越来越大。只是我们不但没有铼资源,更没有加工技术,只能高价从国外进口铼产品,所以别说什么定价权了,连渠道都完全掌握在美国手上。
  这样直到2010年,我国在陕西省洛南县的龙铺钼矿区意外发现了金属铼矿,之后经过勘探,探明该地区铼矿储量约为176吨,占世界总储量的7%左右。
  这么说起来,中国的铼矿储量也不算低了。但问题是,我们虽然终于发现了铼矿资源,可相关加工技术却还很落后,甚至可以说一片空白,别说什么深加工了,就算是铼的提纯工艺,都未成形。
  而铼是典型的稀散元素,常伴生于钼矿和铜矿,开采和提纯难度都非常高。
  不过在发现陕西铼矿之后,我们一些院校机构和企业开展合作,最终有企业花了约一年时间,最先攻克了铼的提纯问题。
  但铼的提纯只是第一步,因为铼一般不能直接使用,而是需要和其它金属混合制造成合金,才会有不同的用途。
  比如在钨和钼中加入适量的铼,可以制成钨铼合金和钼铼合金,这两类合金不但具有良好的塑性,可以加工成各种结构材料,并且还具有高硬度、高强度和耐高温等特性。
  而在镍中加入适量的铼,可以提高镍高温合金的蠕变强度,更加耐高温抗变形,这类合金就可用于制造喷气发动机的燃烧室、涡轮叶片及排气喷嘴等。
  铼镍合金也是现代喷气引擎叶片、涡轮盘等重要结构件的核心材料,使用这种合金制造的单晶涡轮叶片,可以有效增加涡轮压力,进而提高发动机的作业效率,发动机也可以加快燃料燃烧的速度,进而产生更大推力,并且发动机的使用寿命也更长。
  但是铼合金的制造技术一直被美国等少数国家垄断,中国以前在这个领域几乎没有任何研究。
  所以当时我们原本是打算与国外公司进行合作,通过资源换技术的模式,来获取铼合金的制造技术。
  可谁知,国外企业对所谓技术合作并没有什么兴趣,在中国发现铼矿资源后,他们有的是想直接买下中国的铼矿,有的想通过长期合同,购买中国生产出来的铼,却都不愿意和中国进行技术交换。直白点说,他们只是把中国当作原料来源地,从中国低价购买初级的铼原料,进行加工后,再将铼产品高价卖给中国。
  尤其美国,在听说中国发现了铼矿资源,更是对中国百般提防,就怕中国获得铼的深加工技术,打破它的垄断。而美国法律也规定了,关于铼的深加工技术,包括铼合金的制造技术,不准参与到国际间的企业合作中去。
  就算美国一些相关企业已经在中国建厂,也会对中国员工层层设防,不会让他们接触相关技术,即便他们已经成为公司高管也不例外。
  既然美国封锁得这么厉害,我们无法进行技术引进,于是就索性自己研发。我们一些企业也采用产研结合的方式,把研制铼合金和相关用途结合起来,专门进行技术攻关。而因为铼最主要是用在航空发动机上面,所以研制航空发动机的单晶涡轮叶片,也成为重中之重。
  但自己搞研究,不是嘴上说说就行,我们仍需要克服很多困难,其中最重要的就是人才关和设备关。
  而在人才方面,正值国家开始重视航空发动机产业的发展,提出要攻克核心关键技术,加快推进航空发动机制造的产业化。于是在国家的支持下,我们的院校和企业就从海外引进相关领域的一些专家,组建研发团队。
  在设备方面,要制造单晶涡轮叶片,就需要用到单晶炉,并且还需要依照特殊参数进行定制,为此我们有的企业也是走遍国内外,终于找到了愿意定制的供应商。
  有了人才和设备,我们的研发工作也很快就走上正轨,到了2015年,就有公司生产出了第一批单晶叶片,根据国际权威检测报告,产品某些性能已经已经达到了欧美标准。
  到了2017年,我国自主研发的单晶叶片开始正式投产,终于打破了了美国的封锁。
  到如今,我国自主研制的单晶叶片已经发展到了第四代,虽然还算不上世界领先,但跟国际先进水平已经没有太大差距。
  不过我国虽然在这个领域已经打破了西方的垄断和封锁,但现在仍面临着一些问题。
  比如这几年,虽然我国航空航天事业发展很快,但由于发动机还没有实现产业化,对铼的需求量还是不多,常年稳定在2吨左右,而国内的产能已经超过了这个数,可以说是供过于求,所以价格一直上不去,企业对铼的生产积极性也不是很高。
  尤其随着中国一些铼项目的投产,美国为了打压我国金属铼产业,还刻意开始进行低价倾销,导致铼的价格下跌严重,更加打击了我们一些企业的积极性。
  而需要我们重视的是,随着我国航空航天业的加速发展,发动机产业化也必定会加快实现,比如现在我们的歼20战斗机,还有C919民用大飞机都已经开始进行量产,并且预计在近几年就要换上我们自主研发的发动机。所以等到发动机产业化了,我国对铼的需求肯定会猛增,供需情况可能会瞬间逆转,到时候再想扩大铼的产能,恐怕就有些晚了。
  也因此丁士启在全国人大建议将铼列入国家储备目录,全面开展铼金属收储,并且减免铼金属进口关税及增值税,鼓励收集国外铼资源,以防范他国对我国的进口管控,保障我国航空航天业的安全发展。
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