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中國發現超級金屬：飛機火箭上天全靠它一克值300元

2017-09-04 14:48:17 作者：本網整理來源：央視財經頻道分享至：

長期以來航空發動機一直都是我國航空工業中的一個短板。現在，我國部分軍用飛機依然使用國外發動機，而在商業航空領域，C-919大型噴氣式客機使用的發動機也產自一家美法合資企業。

為了盡快補足這塊短板，國家一直在加大航空發動機的研發力度。國務院印發的《中國制造2025》明確提出要“建立發動機自主發展工業體系”，在十三五期間，我國又啟動了航空發動機和燃氣輪機重大專項。如今，航空工業持續發力，正不斷縮小著與國際一流發動機的差距。

航空發動機每秒散熱1700多度，唯有“錸”金屬不被熔化

在河北廊坊科技園，一款為無人機和商務機而設計的航空發動機正在進行150小時試車，考核發動機在各種狀態下技術性能和可靠性及壽命等綜合指標。

中國科學院工程熱物理所所長朱俊強：150小時做完了，首飛保證就沒問題了，可以到不同高度進行試飛了，這個發動機基本定型。

航空發動機是當今世界上最復雜的、多學科集成的工程機械系統之一，需要在高溫、高壓、高轉速和高載荷的嚴酷條件下工作，并滿足功率大、重量輕、可靠性高、安全性好、壽命長等眾多十分苛刻甚至相互矛盾的要求，因此航空發動機被譽為現代工業的“皇冠”。我國雖然已經是國際上為數不多的幾個可以獨立研制航空發動機的國家之一，但是航空發動機性能不達標，一直都是中國航空業的一塊心病。

十三五期間，我國啟動了航空發動機和燃氣輪機重大專項，航空工業持續發力，不斷縮小與國際一流發動機生產企業的差距。

中國科學院工程熱物理所輕型動力實驗室實任徐綱：這一款渦扇發動機它的耗油率，它的壽命，這些指標都達到了國際先進水平，國內也是個空白，所有的零件都是自主設計，然后自主生產，尤其是像里面的高溫的單晶渦輪葉片，實際上就是可以說發動機里面，加工的難點中的難點。

單晶葉片處于航空發動機中溫度最高、應力最復雜、環境最惡劣的部位，是航空產品第一關鍵零件，它的鑄造工藝直接決定了航空發動機的性能。

在這臺1000公斤推力的發動機中心，核心部件就是眼前這60片單晶葉片。發動機將空氣進行壓縮之后壓入燃燒室，在有限的空間內和燃料發生劇烈燃燒，產生猛烈的燃氣噴射流，推動這些葉片高速旋轉，讓看似單薄的零件迸發出驚人的動力，每一片葉片輸出的馬力都相當于一臺2.0排量的SUV汽車。

朱俊強：我們一千公斤級的發動機，它的高壓轉速都在三萬多轉接近四萬轉，大概的切向速度就是每秒種450米左右，溫度大概是1720多度。

為了防止熔化，工程技術人員把每一片葉片都制作成空心，中間還設計了一個精密而復雜的冷卻系統。冷卻系統帶走的熱量，可以在1/20秒、甚至更短的時間內燒開一壺水。但是在1700度的高溫之下，普通金屬還是不夠耐熱。生產單晶葉片，離不開一種珍貴的稀有金屬-錸。

在成都航宇超合金技術有限公司，我們見到了單晶葉片生產中最為關鍵的金屬——錸。這是人類發現最晚的天然元素，因為發現者是德國化學家，因此以萊茵河的名稱命名為錸。它在地殼中的含量比所有的稀土元素都小，比鉆石更難以獲取。根據美國地質調查局的報告，全球探明的錸儲量僅為2500噸左右，錸的價格跟白金的價格相仿，一克大概需要兩三百塊錢。

能夠提純錸金屬的，是成都航宇超合金技術有限公司的母公司，這是一家上市的礦業公司。2010年，這家公司在其下屬的陜西省洛南縣黃龍鋪鉬礦區礦山中斟探到錸，儲量達到176噸，約占全球儲量的7%，僅次于智利、美國、俄羅斯和哈薩克斯坦。近年來，隨著航空工業的發展，錸消費量的年均增長率為3%，雖然價格不菲，卻一直處于供不應求的狀態。

為了找到獲得更多的錸金屬，成都航宇超合金技術有限公司通過與湖南有色研究院的合作，用一年多的時間攻克了技術難題，實現了錸的提純。但是坐擁這樣的稀缺資源，張政和股東們卻發現這種稀有金屬在國內卻幾乎沒有銷路。

無奈之下，他們把眼光轉向國際市場，希望用資源換技術的模式，尋求與國外這類合金制造企業的合作。

成都航宇超合金技術有限公司董事長張政：每一家都希望跟我們簽長協價，我們只要生產出來他們就要，但是因為這項技術，所有掌握這個單晶技術的國家的企業，都受制于美國的一個法律，是不得參與技術合作的。

美國是最大的錸金屬消費國，控制著全球銷售市場，一直處于壟斷地位。由于錸可以廣泛應用于噴氣式發動機和火箭發動機，全球約80%的錸用于生產航空發動機，其在軍事戰略上有重要意義。為了維持在航空工業的優勢地位，美國和其它一些西方國家常年針對中國進行材料和技術封鎖。英國的航空發動機巨頭羅爾斯羅伊斯雖然在中國投資建廠，但是對中國員工層層設防，既便當時已經在公司工作了七年的宋陽，也從來沒有機會接觸其核心技術。

成都航宇超合金技術有限公司副總經理宋陽：它有一些區域是限制中國人進入的，他們不希望這樣的一些技術機密，被中國所了解和掌握。我相信這不光是對于我個人，對于很多在外企航空企業工作的中國人，可能都會經歷這樣的一個比較尷尬的一個時刻。

越是封鎖，就越說明航空發動機的戰略重要性，就越需要突破。當宋陽在上海立下這一志愿的時候，遠在千里之外的西安，礦業公司董事長張政也拍板做了一個重要的決定：自己生產用于航空發動機的單晶渦輪葉片。

成都航宇超合金技術有限公司董事長張政：自己想辦法去解決這個技術，因為我不想只作為一個元素的供應商，而且這樣稀有的一個元素，我們把它供應給海外的這些企業，而對中國毫無幫助。

民營企業進軍中國航空業單晶葉片國內首次量產

一家民營企業，決定要進入航空工業這樣一個資金密集型、人才密集型的行業，這個行業投資大，周期長，回報慢，而他們打算生產的單晶渦輪葉片又是目前航空發動機所有零件中制造工序最多、周期最長、合格率最低、國外封鎖和壟斷最為嚴重的零件。面對嚴峻的現實，要實現單晶渦輪葉片的量產，從人才到技術再到設備，他們怎么才能突破這重重難關呢？

成都航宇超合金技術有限公司董事長張政：必須先把人才的團隊建成，才能去把整個生產工藝設計出來，根據生產工藝才能在全世界選設備，這種人才都是全球頂級的人才，我們國家的人才計劃庫里頭，一定有他們的相應的信息，我們是到那兒求援去了。

不出張政所料，在政府幫助下，他很快物色到了幾位國外合適的頂級專家，他們先后就職于幾大著名的航空發動機公司，有多年年航空發動機零部件研發、制造、安裝測試、維修、質量控制的相關經驗。求賢若渴的張政很快向他們拋出了橄欖枝，但最初卻遭到了婉拒。張政明白，一家民營企業很難對他們產生巨大的吸引力，何況還要遠赴異國，一切都還要從零開始。

正當張政為專家團隊而奔走的時候，2012年7月，國務院印發《“十二五”國家戰略性新興產業發展規劃》，將航空裝備產業列為高端裝備制造產業中的第一個項目，明確提出要突破航空發動機核心關鍵技術，加快推進航空發動機產業化。國家層面的大力倡導無疑為張政的說服工作增加了最有份量的砝碼。也就從這一年起，張政的公司通過國家海外高層次人才引進計劃，也就是“千人計劃”，先后成功地引進了2位海外頂尖專家，同時又通過“四川省千人計劃”、“成都人才計劃”，搭建起自己的專業團隊。根據各級政府相關政策，這些引進人才不光能夠享受最高達到每人100萬的政策補助，還在出入境及居留、配偶安置、子女入學、醫療保險、激勵表彰等方面享受相關特殊待遇。

宋陽就是由成都人才計劃引進的團隊骨干之一。政府的人才政策和公司的發展前景讓他毫不猶豫地選擇了從外企辭職，加盟正在興建的成都航宇公司，圓自己的國產航空發動機之夢。

有了團隊，也有了士氣，2013年底，在成都市雙流郊區這片原本荒蕪的土地上，開始生長出中國國產發動機單晶葉片的希望。為了能夠早日投產，廠房建設和設備購置同步進行。

成都航宇超合金技術有限公司副總經理宋陽：單晶爐是單晶澆鑄工藝中最重要的一個設備，單晶爐是我們整個廠房開始籌建的第一天，就開始尋找合適的供應商和技術方案。

他們最開始在歐洲找到一家業內頗有名氣的單晶爐供應商，但是對方卻表示只能提供標準化的設備，拒絕按中國客戶的參數要求進行定制。雖然團隊多次溝通，但是都無功而返。幾經輾轉，他們又找到英國一家單晶爐的供應商，那那供應商只是想多賣一套設備，并沒有想到中國能自己生產單晶葉片。

隨著談判的深入，成都航宇拿出他們的訂制化方案，這家專業的單晶爐制造商不由得對這位行業新入者另眼相看。

成都航宇超合金技術有限公司副總經理宋陽：他們認為跟西方的先進的航空企業提出的方案是一致的，所以在后邊他們打消了這樣的一個疑慮，相信成都航宇是一個有技術能力，能夠攻克單晶葉片這樣的一個廠商。

這家供應商并沒有看走眼，2015年7月22日，成都航宇第一批產品出爐，合格率一鳴驚人。

2016年，國際權威第三方檢測機構出具的檢測報告表明，成都航宇超合金技術有限公司送檢的單晶葉片在高溫拉伸性能、高溫持久性能等方面的測試結果均符合歐美標準。成都航宇也成為國內首家單晶葉片成品率達到量產水準的企業。

宋陽：中國這么多年的經驗，凡是國外對中國進行封鎖的，靠我們自己的自力更生艱苦奮斗，我們都能夠在這個領域取得突破。

單晶葉片投產的時間不過短短一年，一些生產細節還在不斷改進。每一片不合格的葉片都是一份保貴的樣本，能為工藝細節的改進提供有價值的參考。根據電子顯微鏡分析的結果，宋陽打算在重新生產這批葉片時，更換澆鑄環節所使用的坩堝。

工藝改進后，再通過層層工序，制造出一批這樣的單晶葉片需要一個半月的時間。因為航空工業的特殊性，比生產周期更為漫長的，則是打開市場所需要的時間。

實際上，就在航宇生產出第一爐單晶頁片的2015年，《中共中央國務院關于深化體制機制改革加快實施創新驅動發展戰略的若干意見》出臺，成都航宇這個航空工業的新來者，在帶著自己的創新成果走向市場的過程中，得到了政府的有力支持。

2017年2月，成都獲批成為“中國制造2025”試點示范城市。做為國家確定的民用航空高技術產業基地和重要殲擊機研發制造基地，成都正在致力于打造較為完整的產業體系。成都航宇也持續得到各級政府的項目資金，從2015年以來已經到位的資金就接近4000萬元。其中包括國家、省、市、區千人計劃及配套資金946萬元，四川省戰略性新興產業及高端成長型產業專項資金項目2040萬元，四川省省級軍民結合產業發展專項資金600萬元。而且對于這樣投資大周期長的高科技產業，政府的支持正在由以前的一步到位轉變為根據項目需要持續投入。

四川省成都市經濟和信息化委員會軍民融合推進處處長賓格：我們也希望能夠通過一些基礎領域原創領域的一些東西，形成今后我們制造業的真正核心能力，我們知道這個過程比較長也比較難，所以我們是做好了思想準備的。

半小時觀察：企業發力政府助力王者才能歸“錸”

科技部的數據顯示，2015年全社會研發支出當中，企業占比高達77%。到了2016年，這個占比超過了78%。企業是社會組織中最具創造力的經濟細胞，更是科技創新的主體。加快實施創新驅動發展戰略，就是要使市場在資源配置中起決定性作用，最大限度地激發企業的創新活力，同時政府要發揮適當的政策引導作用，鼓勵切切實實的創新活動，把創新成果變成實實在在的生產力。

延伸閱讀

中國發現超級金屬“錸” 還有哪些稀有金屬？又有什么用處？

航空發動機是當今世界上最復雜的、多學科集成的工程機械系統之一，核心部件就是單晶葉片。看似單薄的零件迸發出驚人的動力，每一片葉片輸出的馬力都相當于一臺2.0排量的SUV汽車。生產單晶葉片，離不開一種珍貴的稀有金屬-錸。

無奈之下，他們把眼光轉向國際市場，希望用資源換技術的模式，尋求與國外這類合金制造企業的合作。

錸能夠用于生產航空發動機核心部件，那么其他稀有金屬呢？

稀有元素是自然界中儲量、分布稀少（一般地殼豐度為100ppm以下）且人類應用較少的元素總稱。常用的稀有金屬有鋰、鈦、鐳等。

稀有金屬主要用于制造特種鋼、超硬質合金和耐高溫合金，在電氣工業、化學工業、陶瓷工業、原子能工業及火箭技術等方面。

稀有金屬的名稱具有一定的相對性，隨著人們對稀有金屬的廣泛研究，新產源及新提煉方法的發現以及它們應用范圍的擴大，稀有金屬和其它金屬的界限將逐漸消失，如有的稀有金屬在地殼中的含量比銅、汞、鎘等金屬還要多。

有的稀有金屬在物理－化學性質上近似而不容易分離成單一金屬。過去制取和使用得很少，因此得名為稀有金屬。19世紀即有稀有元素（rareelements）一詞，20世紀20年代在此基礎上定名為稀有金屬。稀有金屬開發較晚，所以有時還稱為新金屬（newmetals）。第二次世界大戰以來，由于新技術的發展，需求量的增大，稀有金屬研究和應用迅速發展，冶金新工藝不斷出現，這些金屬的生產量也逐漸增多。稀有金屬已經不稀。稀有金屬所包括的金屬也在變化，如鈦在現代技術中應用日益廣泛，產量增多，所以有時也被列入輕金屬。

報道稱，電腦、充電電池、混合動力車、GPS系統、iPad、游戲設備，日常生活中使用的每項技術幾乎都涉及這些稀有金屬元素中的至少一種

稀有金屬根據各種元素的物理和化學性質，賦存狀態，生產工藝以及其他一些特征，一般從技術上分為以下五類：

稀有輕金屬

包括鋰Li、銣Rb、銫Cs、鈹Be。比重較小，化學活性強。

稀有難熔金屬

包括鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉬、鎢。熔點較高，與碳、氮、硅、硼等生成的化合物熔點也較高。

稀有分散金屬

簡稱稀散金屬，包括鎵、銦、鉈、鍺、錸以及硒、碲。大部分賦存于其他元素的礦物中。

稀有稀土金屬

簡稱稀土金屬，包括鈧、釔及鑭系元素。它們的化學性質非常相似，在礦物中相互伴生。

稀有放射性金屬

包括天然存在的鈁、鐳、釙和錒系金屬中的錒、釷、鏷、鈾，以及人工制造的锝、钷、錒系其他元素和104至107號元素。

上述分類不是十分嚴格的。有些稀有金屬既可以列入這一類，又可列入另一類。例如錸可列入稀散金屬也可列入稀有難熔金屬。

錸的性質及化合物

錸的性質

物理性質

錸為銀白色金屬或灰到黑色粉末；熔點3186℃，沸點5596℃，密度為20.53g/cm?。金屬錸非常硬，耐磨，耐腐蝕。

化學性質

錸的電子構型為[Xe]4f145d56s2，氧化態有0、-1、+1、+2、+3、+4、+5、+6、+7，主要氧化態為+3、+4、+5、+7。錸的化學活潑性取決于他的聚集態，粉末狀金屬錸活潑。錸不溶于鹽酸，溶于硝酸，生成高錸酸：3Re+7HNO3→3HReO4+7NO+2H2O。它也溶于含氨的過氧化氫溶液中，生成高錸酸銨：2Re+2NH3+4H2O2→2NH4ReO4+3H2

錸化合物

錸氧化物

七氧化二錸（Re2O7）：黃色固體，具有揮發性，最常見的氧化錸。溶于水，形成高錸酸HReO4。

二氧化錸（ReO2）：深褐色固體物質。單斜晶結構。密度11.4～11.6g/cm?。沸點1363℃。但700℃開始分解，生成金屬錸和七氧化錸。具有吸氣性能，揮發性比較差，在空氣中與堿共熔可形成高錸酸鹽。稍溶于水，不溶于稀酸，可溶于濃的鹵族酸中。易與硝酸、過氧化氫等作用生成錸酸。制取方法在300℃下用氫還原錸酸酐，或400℃在惰性介質中（氬、氮）中使錸酸銨分解。為氫還原制取金屬錸原料和有機化合物合成催化劑。

三氧化錸（ReO3）：紅色，不溶于水。

三氧化二錸（Re2O3）

氧化二錸（Re2O）

五氧化二錸（Re2O5）

其他錸化合物

錸與硫蒸氣在高溫下化合生成二硫化錸。

錸與硼的化合物二硼化錸（ReB2），硬度極高，與碳化鎢、碳化硅、二硼化鈦和二硼化鋯相近。

四氯化錸晶體結構錸與鹵素中的氟、氯和溴反應生成鹵化物，如四氟化錸 ReF4、五氟化錸ReF5、六氟化錸ReF6、七氟化錸ReF7、五氯化錸ReCl5、六氯化錸ReCl6、三氯化錸ReCl3等。錸的鹵化物和鹵氧化物均易水解。ReCl3是三聚紅色固體，為共價化合物，在溶液中是非電解質。四價錸能形成多種配位化合物。

錸還能形成羰基化合物Re（CO）5和高錸酸鹽M3ReO5（M為一價金屬），錳和锝都沒有類似的鹽生成。

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責任編輯：王元

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