我国守着如此多的铟矿,为什么却不能自己利用?科技创新迫在眉睫

化工老司机 2022-05-17

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2968 字丨阅读本文需 7 分钟

2021年,欧洲化学学会发表了一篇文章,对全球现有的化学元素的储量做了一个统计。数据显示,全球化学元素的储量目前处于一个相对平衡的状态,但是有一个元素除外,那就是铟。

欧洲化学学会在这次公布的名单中将铟元素特殊标注出来,这就意味着目前铟元素的储量严重不足。这一文章的发表使得铟元素的价格在短时间内暴涨,造成了各国的恐慌,纷纷花大价钱购买铟,导致铟这种元素比黄金还要贵。

1、铟元素

铟作为一种化学元素,最早是在1863年被德国的物理学家赖希和李希特发现的,铟在元素周期表排行在49。两位科学家在研究闪锌矿的过程中,用光谱法发现了一种看起来软绵绵的新元素,这种新元素吸引了两位科学家的目光,它就是铟。

铟在外观上看起来是一片银色,其中带有微微的蓝色。它对比起其他金属而言十分软,可塑性十分强,用手指轻轻一刮就会留下痕迹。这种金属可以很轻松地就能够压块或者切片,也能够广泛使用于日常生活中。

但是铟这种元素躲得很深,一般情况下它是不会单独存在于自然界的。它平时喜欢和其他元素混在一起,需要科学家用特殊的方法把它找出来,然后经过提炼才能得到我们常见的铟金属。正因为如此,地球上的铟元素资源十分稀少且分布零散,没有开采价值高且可以单独开发的铟矿。

2、铟的用途

金属铟的用途十分广泛,因为它有着很好的可塑性和延展性,多用于高精尖金属产品的制造。金属铟常用于制造低熔合金、轴承合金、半导体、电光源等,是现代科技发展不可或缺的元素。

其中,金属铟最常见的用途在我们的生活中随处可见,那就是我们每天寸步不离的手机。金属铟70%的用途都是用于制作手机屏幕的,因为金属铟是制作ITO靶材的主要材料,而ITO靶材则是制作手机屏幕的主要材料,这样一来金属铟在日常生活中就十分重要了。

ITO靶材制作出来的屏幕透光性和导电性都十分良好,是制作电子产品屏幕的不二之选。除了手机屏幕以外,电视的液晶屏、平板的显示器、电影院的投影幕都是用ITO靶材来制造的。甚至一些交通工具的防风玻璃里面都有ITO靶材的身影,可谓是领域涉猎甚广,在电子产业和信息产业中都有着极其重要的位置。

除了用来做屏幕,金属铟还会用作半导体的材料。因为铟的传导性十分优秀,且可塑性强、延展性好、熔点低、沸点高,所以制作的难度也会大大降低,在半导体领域的使用也十分广泛。

金属铟还有一个特点,就是耐腐蚀性强。所以金属铟常常会用来和其他金属进行融合,能够制造出一些耐腐蚀性极高的合金。这种合金常常用于轴承领域,经常出现了发动机的轴承当中,这种轴承的使用寿命极长。

除此之外,铟合金在航空领域也发挥了巨大的作用。铟合金可以用来做航天飞机的返回舱,因为它的延展性十分好,可以确保返回舱在接触地面的时候不会受到巨大冲击力的影响,保证宇航员的安全。而且铟合金还可以用来做核反应堆的控制棒,检测中子辐射。

如此广泛的用途,让金属铟成功的在人们的日常生活中经常刷脸,尤其是在高精尖科技行业,金属铟的表现尤为突出。如此有利用价值的金属,使得许多大国对于金属铟十分重视,但由于这种元素在地球上的储量极少,且开采难度大,所以在这些资源中能够真正开采出来的只有总储量的一半。

要将金属铟从其他金属中分离出来,需要耗费巨大的成本,且有效利用率极低,这也让铟元素跻身到了稀有金属的行列当中。

3、铟的提纯主要方法

通常将5N铟称为高纯铟,6N-9N铟称为超高纯铟,他们的形态可以是丝、箔、粉、条、棒等。

国内精铟的生产普遍采用预先钝化-电解精炼联合法,此方法可以得到纯度为4N的精铟。但方法存在以下缺点:(1)铟的化学损失较大,在钝化过程生产一些铟的化合物,损失在3%-5%;(2)生产周期长,二次精炼一般需要14天,不利于企业生产;(3)铟的电解影响因素较多,如电解过程温度控制问题,一般不超过40度,也不能低于20度; (4)残极率较高。

针对预先钝化-点解精炼联合法存在的一些不足,研究人员采用了升华法、真空蒸馏法、离子交换法、萃取法、定向凝固法、区域熔炼法等提纯法对粗铟进行提纯。

以上几种方法各有优缺点,从经济性和环保性角度出发,科研人员采用了新的联合法制备高纯铟,即结合真空蒸馏和区域熔炼的优点,以粗铟为原料,采用真空蒸馏对粗铟进行提纯,然后采用区域熔炼方法对金属铟进行二次提纯,运用两种物理提纯方法,在不改变金属铟的形态下,实现短流程、低成本、高效率的制备高纯铟。

4、 影响铟提纯的主要因素

说到影响金属铟提纯效果的主要因素,必须提到金属的蒸发过程。因为金属蒸发过程是影响真空蒸馏最关键的要点。金属的蒸发是指金属受热后,生成金属气体而离开液体或固体的过程,一般情况,物质的蒸发过程一般分为四个步骤:传热、蒸发、迁移、凝结。以下是影响提纯效果的几个因素:

(1)蒸馏温度对提纯效果的影响

由于温度对蒸发速率的影响比较大,随着温度的升高,组元迁移的速率增强,挥发组元运动加剧,所以蒸发分子能获得较高的能量克服分子间的阻力而溢出溶体表面进入气相。

在低温蒸馏阶段,蒸馏温度是影响低沸点杂质元素去除最主要的因素,温度越高越有利于去除低沸点杂质,但是随着温度升高,铟的挥发也逐渐增加,从而降低铟的直收率。在高温蒸馏阶段,蒸馏温度也是影响高沸点杂质元素去除的主要因素,降低温度有利于高沸点杂质的去除,随着温度的降低,铟的挥发也逐渐降低。

(2)蒸发面积和保温时间对提纯效果的影响

在蒸发空间体积一定的条件下,增大蒸发面积,可以降低金属的实际分压,从而使的金属的实际分压和饱和分压差值增大,因而,在增大物料的蒸发面积可以提高金属的增发速率,进而提高提纯效果。在低温蒸馏过程中,适当的缩短保温时间,可以大大减少主体金属铟的挥发,提高铟的直收率;高温蒸馏过程,缩短保温时间,可以降低挥发物中的Sn含量。

(3)真空度对提纯效果的影响

在真空条件下,蒸发分为:一般蒸发、沸腾蒸发、分子蒸发三种。由于蒸发压强有一定关系,当压强较高时,金属的蒸发速率很低,此时是一般蒸发;当压强开始降低时,金属的蒸发随着压强降低而明显升高,此时是沸腾蒸发;当压强降低到某一数值时,金属的蒸发速率不再增大,是一定值,此时的蒸发属于分子蒸发。

三种其蒸发速率为:一般蒸发<沸腾蒸发<分子蒸发。因此,降低压强提高真空度,可以提高蒸发速率,从而提高提纯效果。

5、为什么我国明明是金属铟的主产国,却被日本卡了脖子呢?

究其原因,最关键的还是技术。上文中说到金属铟主要用在制造ITO薄膜上,属于电子制作领域的范畴。我国在电子制造领域一直远远不如日本和韩国,尤其是日本,在电子制造领域可以说是世界闻名。

自从二战之后,日本就一直追随美国的步伐,大力发展科技,在汽车领域和电子制造领域独占鳌头,特别是1979年以后,日本改变了世界电子产业。在这一年,日本推出了一款磁带机,这个磁带机可以插耳机,人们就可以随时随地的收听节目和歌曲,最重要的是不会对别人造成困扰。

这款产品推出后,迅速抢占全球市场,日本的电子制造业也因此获得了全世界的喜爱和关注,从此崛起。之后,日本好像是找对了发展方向,开始大力发展电子制造业,尤其是半导体的制造。日本的NEC半导体公司在1985年超越了美国的英特尔公司成为世界半导体行业的巨头。

尽管日本在电子制造业方面实力很强劲,但是日本的国土面积小,自然资源很少,所以要想发展,多数都得依赖进口。而我国,虽然制造业也很发达,但是和日本相比,在电子制造业方面还是有些欠缺的。

还有一个重要原因是我国的产业结构不平衡。我国的铟行业起步发展较晚,结构不是那么的完整。虽然能够生产提炼出大量的铟锭,但是使用率却很小,而且,生产出来的金属铟一般都是粗铟,没有进行下一步的深加工。所以,行业结构限制了金属铟的使用,要想充分的利用自己的优势,就要改变产业结构,不断的进行科技创新。

结语:

我国守着如此多的铟矿,却不能自己利用,对于我们来说是一种损失。而且金属铟的发展前景是十分广阔的,现在科技不断发展,手机、电视等电子设备不断更新换代,航空航天领域也在不断发展,如果能够合理完善的使用金属铟,那么我国的科技水平将会得到进一步的提升。

文章来源:百科密码, ONE知识,蒂姆新材料

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