背景[1-3]
鈮是灰白色金屬，熔點(diǎn)2468℃，沸點(diǎn)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(huì)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(huì)呈現(xiàn)超導(dǎo)體性質(zhì)。在標(biāo)準(zhǔn)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(huì)大大影響其超導(dǎo)性質(zhì)。鈮對(duì)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(shí)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(wú)機(jī)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(jià)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(wàn)年；Nb是最不穩(wěn)定的同位素之一，其半衰期估計(jì)只有30毫秒。比Nb更輕的同位素一般進(jìn)行β衰變，比它重的則會(huì)進(jìn)行β衰變。例外包括：Nb、Nb和Nb會(huì)進(jìn)行少量β緩發(fā)質(zhì)子發(fā)射，Nb會(huì)進(jìn)行電子捕獲和正電子發(fā)射，而Nb會(huì)同時(shí)進(jìn)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(gè)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(jìn)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(duì)象,通過(guò)嘗試機(jī)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(duì)“潔凈”鈮表面,同時(shí)考察了其氫、氘的滲透特性。分別對(duì)兩種不同冶金工藝的原始鈮以及機(jī)械拋磨后的鈮進(jìn)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(guò)機(jī)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(jī)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(jī)械磨拋法去除鈮表面氧化物后,采用氣相驅(qū)動(dòng)法研究了溫度區(qū)間（600～750℃）和氣體壓強(qiáng)（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(kuò)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(kuò)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(duì)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(guò)氣相驅(qū)動(dòng)法研究了溫度區(qū)間（600～800℃）和氣體壓強(qiáng)（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(gè)數(shù)量級(jí),310奧氏體不銹鋼5個(gè)數(shù)量級(jí),略低于Pd8.5Y0.19Ru合金1個(gè)數(shù)量級(jí)。
參考文獻(xiàn)
[1]Effect of degassing treatment on the deuterium permeability of Pd-Nb-Pd composite membranes during deuterium permeation[J].Fangfang Li,Boyang Zhong,Hong Xiao,Xiaoqiu Ye,Lei Lu,Weijun Guan,Yuping Zhang,Xiaofang Wang,Chang’an Chen.Separation and Purification Technology.2018
[2]Diffusive transport parameters of deuterium through China reduced activation ferritic-martensitic steels[J].Bo Wang,Lingbo Liu,Xin Xiang,Yongchu Rao,Xiaoqiu Ye,Chang An Chen.Journal of Nuclear Materials.2016
[3]Peculiarities of hydrogen permeation through Zr-1%Nb alloy and evaluation of terminal solid solubility[J].E.A.Denisov,M.V.Kompaniets,T.N.Kompaniets,I.S.Bobkova.Journal of Nuclear Materials.2016
[4]Changes in microstructures and hydrogen permeability of Nb 30 Hf 35 Co 35 eutectic alloy membranes by annealing[J].Erhu Yan,Lixian Sun,Fen Xu,Yongjin Zou,Hailiang Chu,Huanzhi Zhang,Yixin Sun.International Journal of Hydrogen Energy.2015
[5]周燕燕.金屬鈮的滲氫行為研究[D].西南科技大學(xué),2018.