这段时间，关于我国管控镓、锗、锑、石墨等管制措施的新闻铺天盖地。而其实还有一条很小的新闻，说的是铌合金，似乎没有太大的波澜。其实铌合金这个技术，未来也会成为我们技术管制的一种，绝对会对老美卡脖子。

本文大量数据查询自互联网，科普性内容较长。如果想看高潮部分的直接看第三部分就好了。

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第一部分：能上天宫空间站做的实验，绝非普通的材料

2024年7月3日，一条相对低调的新闻出现在了官媒，那就是铌合金。这次由西北工业大学领衔研发，与空间站合作，验证了铌合金在微重力环境下能够抵御2400℃以上极端高温的考验，在高温的同时铌合金还展现出极强的韧性。也就是说，这个实验是在外太空，在中国人自己的天宫空间站做的。

铌这个金属，似乎很少出现在我们日常生活里。能够上外太空做实验，说明这东西绝不寻常。肯定是一个高科技最前沿的技术。

那么这个铌合金能干嘛，未来能不能卡别人的脖子呢？

第二部分：铌合金与飞机发动机

本段属于科普性知识，内容比较多。

自从飞机被发明以后，飞行速度就成了飞机最重要的属性之一。像在二战时期，各种螺旋桨战斗机的速度大约在600-700公里/小时左右。飞机的速度越快，越能对敌方的打击起到突防的效果。而在空中格斗中飞机的速度也是非常重要的。苏联就曾经靠3马赫的高速活生生的甩掉了爱国者导弹。

二战以后（1945-1955）美国的P-51野马、P-47雷电、F-86萨伯，英国的喷火，德国的Bf-109、Fw-190、Me-262，苏联的雅克-3、拉-5、米格-15等进入了亚音速的时代，这些飞机大多能逼近860公里/小时的亚音速。

1955年起，喷气式发动机出现，飞机进入超音速时代。当时美国的F-104星式战斗机的最大速度达到2690公里/小时?。其后战斗机虽然经历了多次升级，包括隐身和多用途等等，但是最大飞行速度大多都在2-2.5倍音速之间。

不知道大家发现没有，从1955年以后，主流飞机的速度都在2倍音速（马赫）附近。虽然也有个别型号能飞到3马赫以上，但并不是主流战斗机。那是什么在限制战斗机的速度，这么70年来都没有特别大的跨越呢。

这里面的技术非常多，今天就讲重点，就是飞机发动机。

飞机发动机的原理并不复杂，就是将大量空气压缩进燃烧室，和燃料充分燃烧后产生巨大压力通过涡轮退出。

越大的燃烧就会产生越大的温度与压力，这也就是我们看见战斗机的屁股后面喷出的火焰。

温度越高，压力越大，发动机的推力就越大。这就对涡轮的耐高温提出了要求，不然飞机还没提速起来，涡轮上的叶片都被高温熔化了，这还怎么飞。

而飞机发动机和火箭、导弹的发动机还不一样。火箭的发动机特别巨大，也可以设计一些降温的装置，而且推进器用完就还可以和火箭主体分离等等。飞机的发动机需要反复使用，快速补充燃料快速起飞，还要充分考虑体积大小和重量，耐腐蚀等等。这就需要寻找特别的材料。

什么样的材料可以满足耐高温、重量轻、耐腐蚀、韧性好、价格还便宜？

我们展开元素周期表，中学都学过，越靠后的元素越重，也相对更加稀有。

像钨就拥有单元素最高的熔点3422℃，其次是铼3180℃，?锇?熔点为3045℃，钽熔点为2980°，钼熔点为2617℃，铌熔点为2468℃。前六个里面，铌的重量最轻，是比较理想的材料。而钼虽然重量和铌差不多，但是它在室温下是脆性的，铌是韧性的。

不过这时候还轮不到他们登场，我们继续说回飞机发动机的材料。

现在大家都知道，我国的战斗机在2000-2018年这段时间，是明显落后于国外的。这其中很重要的一个原因，就是发动机技术不够。当时1997年俄罗斯送来了AL-31F型发动机，98年我国的歼10才实现了首飞。所以那个时候局座说我们的飞机发动机技术不行，那是真有很大差距。没有俄罗斯的发动机，我们的飞机就明显落后别人一代。这时我们就是被卡脖子的一方。

这飞机发动机里面的技术很多很复杂，有一个重要的材料就是，当时我们自己做出来的耐高温材料不行。设计的发动机推力大，但是同时涡轮进口温度也非常高，我们当时的技术，做出来的涡轮叶片在如此高的温度下不可靠。

当时，大约在2001年吧，我们的涡扇-10航空发动机，属于第三代涡扇发动机，而它的涡轮叶片所使用的的就是第一代单晶定向凝固高温合金制作的涡轮叶片，在气膜冷却单通道空心技术的加持下，涡轮叶片的最高工作温度可以达到1750k，相当于1500°左右，由此可以将发动机的推重比提升到7-8之间。不过这也是反复试验很多次之后才达到稳定的状态。

当然我们也在不断改进航空发动机。下面是我网上找来涡扇-15的数据，本人不算是资深军迷不好判定这是哪一个版本。大家可以看看，这个发动机的涡轮进口温度是1850K，相比涡扇10，高了大约100℃。

别小看这温度提升100°，推力可以提升足足20%啊。

而现在的涡扇发动机已经发展第四代，涡轮 叶片使用第二代单晶镍基合金技术，通过添加钴、铼、钌等稀有技术采用提升微观结构，再加上多通道高压空气冷却技术使得涡轮叶片的使用温度达到1800K-2000K，推重比可以达到9-11。网上查到美国的F22猛禽战斗机的发动机——F119，它的涡轮 叶片就可以达到1970K（约合1700℃）。

当然F22都是20年前的产物了，网上搜罗来的F35的发动机数据在这里：

涡轮进口温度2260K，将近2000度。厉害吧，比F22的高300°，比我们之前的涡扇15高400度。当然大家知道，有时老美喜欢把一些数值标的很高。不用担心，我们的歼20也是这个技术。

前面提到的多通道高压空气冷却技术，就是涡轮叶片是空心的，表面有小孔。通过注入冷空气来降低叶片的温度。具体的逻辑太复杂就不讲了。但是既然涡轮叶片是空心的，这个叶片的韧性就要非常强，不然高温+高速下旋转叶片早就变形了。

当然还有在叶片上加陶瓷等外挂技术。总结起来，过去的几十年，为了提升涡轮叶片的耐高温和韧性等要求，30%是依靠材料学实现，70%是依靠外挂实现的。

那依靠材料学如何实现了，这就回到我们的话题，铌合金。前面说了，铌合金可以实现承受2400°的高温，而且铌还具有非常好的韧性。是下一代涡轮叶片的最优选择。那为何研究这么缓慢？

这里先卖个关子，我们讲另一个故事：

如果喜欢看《荒野求生》视频的读者，应该记得，很多节目都有讲述如何空手做一把小刀出来。大概就是收集一些富含铁的泥巴，用高温炼出铁渣，然后用泥巴做一个坩埚，把坩埚烧制好。再把铁渣放到坩埚里。用泥巴做一个鼓风机一样的灶台。通过简易的鼓风机，把大量空气吹入，使得木炭短时间内大量燃烧，产生超过1300°的高温，就可以熔化铁了。把融化的铁水倒进特制的模具就可以了。

这个故事里，这个坩埚就非常重要了。普通黏土做的坩埚，耐高温可达1300-1500°，这个温度炼制生铁是足够了。如果没有坩埚，古人根本不知道用什么可以接的住如此高温的熔铁。

这个小故事讲完了，就自然回到我们的话题上了。既然铌合金的熔点高达2400°，沸点更是高达4700°。我们用什么东西来接呢？

再其实，现阶段的重点并不是熔化铌。而是要实验，铌与哪些金属融合在一起，添加的比例是多少，冷却后可以实现什么样的物理特性。这就要求不能有杂质。在太空微重力环境下，就不需要寻找某种坩埚来配合做实验。我们还需要将铌合金塑造成不同的形状。在地球上做实验其他金属都化成水到处流动，铌还是硬疙瘩一块，这样做实验难度很大。而在微重力环境下，不同密度的金属融合也可以减少重力带来的影响。液态金属的流动性更好，材料的结晶过程更加均匀，这使得铌合金等高温材料在制造过程中能达到更高的纯度和精度

我们的科研人员就发现，铌合金中加入一些锆、碳跟铪有助于提高铌合金的性能和可塑性，具体的配比也是在太空中经历了很多次实验后得出来的。

第三部分：新一代材料学竞赛开始，我们能不能卡老美的脖子

早在1844年，德国化学家罗斯，对来自波登马伊斯的矿石进行研究，并且从中成功分离出两种化学性质相似的元素，其中一种是已知的钽元素，另一种是全新元素。

为纪念这一发现，他将新元素命名为“铌”，其名称词根来源于坦塔罗斯的女儿尼奥比，寓意该元素如神话般珍贵独特。然而当时“铌”与“钶”是否为同一元素，并未得到明确解答。

直到 1949 年的时候，国际纯粹与应用化学会召开会议作出裁决，才正式确定元素周期表中第 41 号元素的名称为“铌”。

铌的熔点高达2400°，在19世纪人类的技术没法融化它，到了20世纪才开始研究。西方国家的科学家早就发现，在其他金属中加入一点铌，可以极大的提高合金的耐热性。但主要的高温材料在2000°以下。如果要做出一种以铌为主，耐热超过2000°的合金材料。则会遇到前面说的那些问题，用什么的坩埚来装融化的铌，还要避免杂质的干扰，要能够研究出最合理的金属添加配方。

太空就是最好的实验平台。

我们有天宫空间站来做这个实验，那老美能不能在国际空间站做这个实验呢并造成铌合金？先说答案：基本上不可能了。

国际空间站是1998年开始建造，原来的设计寿命是15-20年。也就是它理论上应该在2018年就下线了，现在是强行续命到2031年。国际空间站目前面临多个问题，包括空气泄漏、船体裂缝等。自2019年以来，空间站的空气泄漏问题愈演愈烈，每天泄露的空气量曾达到3.7磅。尽管进行了多次修补，但新的裂缝不断被发现，威胁到空间站的居住性和安全性。

根据今年9月的报告，目前有588个替换部件使用寿命超过设计寿命。空间站站里现在最常见的演习，就是空间站面临小碎片撞击，空间站面临解体等风险时，宇航员要快速的撤离到宇宙飞船那里。今年闹的那2名宇航员，本来只待10天，结果波音飞船氦气泄露，没能把他俩带回来而滞留太空。因为太空有9个宇航员，但是逃生飞船座位只有7个，一旦危险来袭，这2个可没有逃生的座位。

波音的太空飞船就遭遇了氦气阀门是“印度造”的问题。结果钛合金变成了铝合金。到现在波音的太空飞船已经摆烂不飞了。还是终于靠马斯克的龙飞船把他们接回来了。

连波音自己的太空飞船都把钛合金的氦气阀门外包给了印度变成了铝合金，你说他们还能在太空搞出铌合金并把它生产出来？现在空间站都属于能用一天算一天，指不定哪天空间站没了，而且他们也再也搞不出空间站了。

就算老美搞出了实验，现在它拉胯的工业能力，它还造的出来？曾经的波音飞机98%都在国内制造，现在的波音只有1/3的材料能自己造，其他全靠全球供应商。随便拿捏它一下就难受的要死。

铌这种金属，在全世界很多国家都有分布。目前探测到的储量大约1600万吨，巴西一个国家就占了90%。好家伙，幸好巴西和我们现在关系很好。其次是加拿大，估计10%左右吧，剩下的就是澳大利亚、中国、埃塞俄比亚、尼日利亚、俄罗斯、美国、刚果（金）、肯尼亚等国。

2023年全球铌资源生产量约8.3万金属吨，其中巴西的产量约为6.6万金属吨，约占全球总产量的88%。当然，和稀土一样，铌的生产大部分都在我国。目前我国铌产量已经占到了全球70%以上，且产业集中度还在进一步提高。巴西是第二大铌生产国，大约占比10%。美国和加拿大、澳大利亚大概占比各5%左右。

虽然我国目前探明的铌矿产量并不多，仅为8.6万吨，占全球总储量的0.4%左右。但是大家都知道，矿是找出来的。二战以前德国也不知道中东竟然有这么多石油，不然它早就过去占领中东了。幸运的是，2023年10月，我国在内蒙古包头市发现了铌包头矿，产出于世界著名的白云鄂博矿床，该矿床位于内蒙古自治区包头市东南部，是一个碳酸岩型稀土-铌-铁矿床，已探明储量达到1.2亿吨。铌包头矿呈棕色至黑色，是一种富含钡、铌、钛、铁、氯的硅酸盐矿物。具体铌能开采多少，这个不好说，但是这么个大矿场资源肯定不少。

今年11月28日的消息，中国地质调查局西安科技学院和新疆地质调查院对新疆哈密地区进行联合勘探之后，在哈密地区发现了大量的钽铌矿。勘探范围内钽铌矿的储量至少达到100万吨。

我国地质勘察团队不断发现的铌矿，可以说我们暂时不用担心在进口铌矿这方面被卡脖子。在我国在铌的深加工方面不断地提高比例。这个后面的结果嘛，大家都懂，参考镓的出口管制就行了。

如果铌合金的超高温材料取得重大突破，那么在飞机的涡轮叶片的技术方面就可以全面升级。到那种，战斗机的速度又可以再次大幅度提升，下一代主力战机有可能全部上3马赫的飞行速度。想想现在，美国的F22已经老去，当打之年的F35外号肥电，飞行速度才1.6马赫。而且现在被制裁的一架都生产不出来。

哎，不好意思，老美又要卡你一下脖子了。

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