背景[1-3]
鈮是灰白色金屬，熔點2468℃，沸點4742℃，密度8.57克/立方厘米。鈮是一種帶光澤的灰色金屬，具有順磁性，屬于元素周期表上的5族。高純度鈮金屬的延展性較高，但會隨雜質(zhì)含量的增加而變硬。它的最外電子層排布和其他的5族元素非常不同。同樣的現(xiàn)象也出現(xiàn)在前后的釕（44）、銠（45）和鈀（46）元素上。
鈮在低溫狀態(tài)下會呈現(xiàn)超導(dǎo)體性質(zhì)。在標準大氣壓力下，它的臨界溫度為9.2K，是所有單質(zhì)超導(dǎo)體中最高的。其磁穿透深度也是所有元素中最高的。鈮是三種單質(zhì)第II類超導(dǎo)體之一，其他兩種分別為釩和锝。鈮金屬的純度會大大影響其超導(dǎo)性質(zhì)。鈮對于熱中子的捕獲截面很低，因此在核工業(yè)上有相當(dāng)?shù)挠锰帯?/p>
鈮
化學(xué)性質(zhì)：室溫下鈮在空氣中穩(wěn)定，在氧氣中紅熱時也不被完全氧化，高溫下與硫、氮、碳直接化合，能與鈦、鋯、鉿、鎢形成合金。不與無機酸或堿作用，也不溶于王水，但可溶于氫氟酸。鈮的氧化態(tài)為－1、+2、+3、+4和+5，其中以+5價化合物最穩(wěn)定。
自然產(chǎn)生的鈮由一種穩(wěn)定同位素組成。截至2003年，已合成的放射性同位素共有至少32種，原子量在81和113之間。其中最穩(wěn)定的是Nb，半衰期有3470萬年；Nb是最不穩(wěn)定的同位素之一，其半衰期估計只有30毫秒。比Nb更輕的同位素一般進行β衰變，比它重的則會進行β衰變。例外包括：Nb、Nb和Nb會進行少量β緩發(fā)質(zhì)子發(fā)射，Nb會進行電子捕獲和正電子發(fā)射，而Nb會同時進行正電子（β）和電子（β）發(fā)射。
已知的同核異構(gòu)體共有25種，質(zhì)量數(shù)介乎84至104。這個質(zhì)量區(qū)間內(nèi)的同位素中，只有Nb、Nb和Nb不具有同核異構(gòu)體。最穩(wěn)定的鈮同核異構(gòu)體是Nb，半衰期為16.13年；最不穩(wěn)定的是Nb，半衰期為103納秒。除Nb進行少量電子捕獲之外，所有同核異構(gòu)體的衰變方式都是同核異構(gòu)體轉(zhuǎn)換或β衰變。
應(yīng)用[4][5]
用于金屬鈮的滲氫行為研究
以不同晶粒度的鈮為研究對象,通過嘗試機械磨拋、離子濺射以及超高真空退火等手段去除鈮表面去氧化層工藝,制備了相對“潔凈”鈮表面,同時考察了其氫、氘的滲透特性。分別對兩種不同冶金工藝的原始鈮以及機械拋磨后的鈮進行表面成分和微觀結(jié)構(gòu)分析,發(fā)現(xiàn)兩種鈮的晶粒尺寸分別為10～200μm和200～500 nm。根據(jù)晶粒尺寸,將其分別命名為微米晶鈮和納米晶鈮。
鈮表面氧化層主要為Nb205,通過機械磨拋可以去除鈮表面大部分氧化物,剩余氧化層很薄,約為20 nm。采用高真空退火結(jié)合離子濺射手段原位研究了機械磨拋后鈮表面的成分變化,結(jié)果表明:超高真空退火和氬離子濺射可以有效去除鈮表面殘存的氧化膜,獲得較“潔凈”鈮表面。采用機械磨拋法去除鈮表面氧化物后,采用氣相驅(qū)動法研究了溫度區(qū)間（600～750℃）和氣體壓強（50 KPa）下氘在微米晶鈮和納米晶鈮中的滲透行為。
研究結(jié)果表明:微米晶鈮的氘滲透率、擴散系數(shù)和溶解度常數(shù)與溫度T關(guān)系式為:Φm,=2.45×l0-8exp（-6309.9/T）mo1·m-1·s-1·Pa-0.5,Dm＝1.60×10-6exp（-10511/T）m2·s-1,Sm=1.53×10ˉ2exp（-34927/T）mol·m-3·Pa-0.5;納米晶鈮的氘滲透率、擴散系數(shù)和溶解度常數(shù)與溫度T的關(guān)系式為:Φn=3.23×10ˉ6exp（-6656.5/T）mol·m-1·s-1·Pa-0.5,Dn=2.59×10-6 exp（-10342/T）m2·s-1,Sn=7.20×10-1exp（-35712/T）molm-3·Pa-0.5。
對比納米晶鈮和微米晶鈮,發(fā)現(xiàn)前者的滲透特性更好。通過氣相驅(qū)動法研究了溫度區(qū)間（600～800℃）和氣體壓強（50 KPa）下氫和氘在納米晶鈮中的滲透行為,研究結(jié)果表明,氫、氘滲透率與溫度T與溫度的Arrhenius關(guān)系式為:ΦH=4.98×10-6exp（-6406.9/T）mol·m-1·s-1·Pa-0 5和ΦD=3.51×10-6exp（-6418.8/T）mol.m-1·s-1·Pa-0.5。
相同溫度和壓力下,氫氣在鈮膜中的滲透率高于氘氣在鈮膜中的滲透率,二者比值約為φH/ΦD=1.44,與理論值接近,滿足同位素效應(yīng)關(guān)系。與其它致密金屬膜相比,相同溫度下,本文鈮的氘滲透系數(shù)高于CLAM鋼1個數(shù)量級,310奧氏體不銹鋼5個數(shù)量級,略低于Pd8.5Y0.19Ru合金1個數(shù)量級。
參考文獻
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