铌粉

　　铌，化学符号Nb，是一种带光泽的灰色金属，具有顺磁性，原子序数41，原子量92.90638，属于元素周期表上的ⅤB族。1801年英国C.哈切特从铌铁矿中分离出一种新元素的氧化物，并命名该元素为columbium(中译名钶)。熔点2468℃，沸点4742℃，密度8.57g/cm³。高纯度铌金属的延展性较高，但会随杂质含量的增加而变硬。铌对于热中子的捕获截面很低，因此在核工业上有相当的用处。

　　铌在低温状态下会呈现超导体性质。在标准大气压力下，它的临界温度为9.2K，是所有单质超导体中最高的。其磁穿透深度也是所有元素中最高的。铌是三种单质第II类超导体之一，其他两种分别为钒和锝。铌金属的纯度会大大影响其超导性质。铌对于热中子的捕获截面很低，因此在核工业上有相当的用处。

　　室温下铌在空气中稳定，在氧气中红热时也不被完全氧化，高温下与硫、氮、碳直接化合，能与钛、锆、铪、钨形成合金。不与无机酸或碱作用，也不溶于王水，但可溶于氢氟酸。铌的氧化态为-1、+ 2、+3、+4和+5，其中以+5价化合物最稳定。

　　铌金属室温下在空气中是极其稳定的，不与空气作用。虽然它在单质状态下的熔点较高(2,468°C)，但其密度却比其他难熔金属低。铌还能抵御各种侵蚀，并能形成介电氧化层。

　　铌的电正性比位于其左边的锆元素低。其原子大小和位于其下方的钽元素原子几乎相同，这是镧系收缩效应所造成的。这使得铌的化学性质与钽非常相近。虽然它的抗腐蚀性没有钽这么高，但是它价格更低，也更为常见，所以在要求较低的情况下常用以代替钽，例如作化工厂化学物槽内涂层物料。

　　铌粉，金属铌的粉末，在其表面生成的致密氧化膜具有单向导电的阀金属性质。其氧化物氧化铌Nb2O5为白色粉末，纯度可达99.999%，用于生产高纯铌酸锂晶体和特种光学玻璃添加剂。这种阳极氧化膜的化学性能稳定、电阻率高、漏电流小、介电常数大。电容器用铌粉电性能比电容为3300～3600μF·V/g，漏电流值为1×10-3μA/(μF·V)。采用还原-氢化法、钠还原法等制取。用于制造电解电容器及步话机和一般工业电器设备。

　　铌的制取

　　金属铌可用电解熔融的七氟铌酸钾制取，也可用金属钠还原七氟铌酸钾或金属铝还原五氧化二铌制取。纯铌在电子管中用于除去残留气体，钢中掺铌能提高钢在高温时的抗氧化性，改善钢的焊接性能。铌还用于制造高温金属陶瓷。

　　开采所得的矿石要经过分离过程，使五氧化二钽(Ta2O5)和五氧化二铌(Nb2O5)从其他矿物中脱离出来。加工过程的首个步骤是与氢氟酸反应：

　　Ta2O5+ 14 HF → 2 H2[TaF7] + 5 H2O

　　Nb2O5+ 10 HF → 2 H2[NbOF5] + 3 H2O

　　让-夏尔·加利萨·德马里尼亚发明了产业规模的分离方法，利用了铌和钽的氟化物配合物所拥有的水溶性差异。新的方法则使用类似环己酮的有机溶剂把氟化物从水溶液中萃取出来，再用水将铌和钽的配合物从有机溶剂中分别提取。加入氟化钾能使铌沉淀成氟化钾配合物，而加入氨则可沉淀出五氧化二铌：

　　H2[NbOF5] + 2 KF → K2[NbOF5]↓ + 2 HF

　　然后：

　　2 H2[NbOF5] + 10 NH4OH → Nb2O5↓ + 10 NH4F + 7 H2O

　　从化合物到金属态的还原方法有几种。一是对K2[NbOF5]和氯化钠的熔融混合物进行电解，二是用钠对氟化铌进行还原。这种方法所得出的铌金属具有较高的纯度。在大规模生产中，则一般使用氢或碳对Nb2O5进行还原。另一种方法利用铝热反应，其中氧化铁和氧化铌与铝反应：

　　3 Nb2O5+ Fe2O3+ 12 Al → 6 Nb + 2 Fe + 6 Al2O3

　　少量类似硝酸钠的氧化添加剂可以加强以上反应。这样会产生氧化铝和铌铁合金，后者可用于钢铁生产。铌铁一般含有60%至70%的铌。如不加入氧化铁，铝热反应会产生铌金属，不过要经纯化过程才可制成具超导性质的高纯度铌合金。世界最大的两家铌经销商所用的方法是真空电子束熔炼。

　　铌的应用

　　超导应用

　　具有超导性能的元素不少，铌是其中临界温度最高的一种。而用铌制造的合金，临界温度高达绝对温度十八点五到二十一度，是目前最重要的超导材料。

　　高温合金

　　世界上很大一部份铌以纯金属态或以高纯度铌铁和铌镍合金的形态，用于生产镍、铬和铁基高温合金。这些合金可用于喷射引擎、燃气涡轮发动机、火箭组件、涡轮增压器和耐热燃烧器材。铌在高温合金的晶粒结构中会形成γ''相态。这类合金一般含有最高6.5%的铌。Inconel 718合金是其中一种含铌镍基合金，各元素含量分别为：镍50%、铬18.6%、铁18.5%、铌5%、钼3.1%、钛0.9%以及铝0.4%。应用包括作为高端机体材料，如曾用于双子座计划。

　　C-103是一种铌合金，它含有89%的铌、10%的铪和1%的钛，可用于液态火箭推进器喷管，例如阿波罗登月舱的主引擎。阿波罗服务舱则使用另一种铌合金。由于铌在400°C以上会开始氧化，所以为了防止它变得易碎，须在其表面涂上保护涂层。

　　铌基合金

　　C-103合金是1960年代初由华昌公司和波音公司共同研发的铌合金。由于冷战和太空竞赛的缘故，杜邦、美国联合碳化物、通用电气等多个美国公司都在同时研发铌基合金。铌和氧容易反应，所以生产过程需在真空或惰性气体环境下进行，这大大增加了成本和难度。真空电弧重熔(VAR)和电子束熔炼(EBM)是当时最先进的生产过程，促使了各种铌合金的发展。1959年起，研究项目在测试了“C系”(可能取了旧名钶“Columbium”的首字母)中共256种铌合金后，终于制得了C-103。这些合金都可熔化成颗粒状或片状。华昌当时拥有从核级锆合金提炼而成的铪元素，并希望发展它的商业应用。C系中拥有所谓103成份比例的Nb-10Hf-1Ti合金在可模锻性和高温属性之间有着最佳的平衡，因此华昌于1961年利用VAR和EBM方法生产了首批500磅C-103合金，应用于涡轮引擎部件和液态金属换热器。同期的其他铌合金还有：芬斯蒂尔冶金公司的FS85(Nb-10W-28Ta-1Zr)、华昌和波音的Cb129Y(Nb-10W-10Hf-0.2Y)、联合碳化物的Cb752(Nb-10W-2.5Zr)及苏必利尔管道公司的Nb1Zr。

　　医疗应用

　　铌在外科医疗上也占有重要地位，它不仅可以用来制造医疗器械，而且是很好的“生物适应性材料”。

　　铌电解电容器没有“辜负”人们的厚望，它具有很多其他材料比不上的优点。

　　它比跟它一般大小的其他电容器“兄弟”的电容量大五倍，而且非常可靠、耐震，工作温度范围大，使用寿命长，已经大量地用在电子计算机、雷达、导弹、超音速飞机、自动控制装置以及彩色电视、立体电视等的电子线路中。

　　钢铁应用

　　在钢的各种微合金化元素中，废铌是最有效的微合金化元素，铌的作用如此之大，以至于铁原子中含有丰富的铌原子，就能达到改善钢性能的目的。实际上钢中加入0.001%—0.1%的铌，就足以改变钢的力学性能。例如：当加入0.1%的合金化元素时，提高钢的屈服强度依次为：铌118MPa;钒71.5MPa;钼40MPa;锰17.6MPa;钛为零。实际上钢中只需加入0.03%—0.05%Nb，钢的屈服强度便可提高30%以上。而钢的成本每吨仅增1美元。例如：普通中碳钢的屈服强度一般为250MPa，加入微量铌可使强度提高到350—800MPa。

　　铌作为微合金化元素加入钢中并不改变铁的结构，而是与钢中的碳#氮#硫结合，改变钢的显微结构。铌对钢的强化作用主要是的是细晶强化和弥散强化，铌能和钢中的碳氮生成稳定的碳化物和碳氮化物。而且还可以使碳化物分散并形成具有细晶化的钢。

　　铌还可以通过诱导析出和控制冷却速度，实现析出物弥散分布。在较宽的范围内调整钢的韧性水平。因此，加入铌不仅可以提高钢的强度，还可以提高钢的韧性、抗高温氧化性和耐蚀性!降低钢脆性转变温度，获得好的焊接性能和成型性能

　　电瓷

　　铌酸锂是一种电铁性物质，在手提电话和光调变器中以及表面声波设备的制造上有广泛的应用。它的晶体结构属于ABO3型，与钽酸锂和钛酸钡相同。铌可以代替钽电容器中的钽，降低成本，但钽电容器仍较为优胜。

　　钱币

　　在钱币上，铌有时会与金和银一起用在纪念币上作贵重金属。例如，奥地利自2003年起，生产了一系列银铌欧罗币，其颜色是阳极化过程形成的氧化物表层衍射所产生的。2012年，共有十种中心颜色不同的钱币，共包括蓝、绿、棕、紫和黄。另外含有铌的钱币还有2004年的奥地利赛梅林铁路150周年纪念币，以及2006年欧洲卫星导航纪念币。2011年，加拿大皇家造币厂开始铸造称为“狩猎月”(Hunter's Moon)的5加元纯银和铌币。其中的铌经过特殊的氧化过程，所以没有两件成品是完全一样的。

　　其他

　　铌(或掺有1%锆)是高压钠灯电弧管的密封材料，因为铌的热膨胀系数与经烧结的矾土弧光灯陶瓷材料非常相近。这种用于钠灯的陶瓷可以抵御化学侵蚀，也不会与灯内的高温钠液体和气体产生还原反应。铌也被用在电弧焊条上，用来焊接某些稳定化不锈钢。一些大型水箱的阴极保护系统中以铌作为阳极的材料，阳极一般再镀上一层铂。