钪的原子序数为21,从外层电子组态来看,钪为3d元素,其性能与外层有4f电子围绕的稀土元素有明显的差别,钪的晶格常数、密度和某些物理、机械性能更近似于元素周期表中近邻的铝和钛。
钪是典型的分散元素,它实际上不形成独立的矿床但在自然界中的分布相当广泛,在地壳中的丰度为6×10-4(克拉克值),与砷的丰度相近,比许多常见金属如锑、铋、金、银以及稀土元素如铕、镝、钬、铒、铥、镱、镥等还要丰富。钪在地球上主要以伴生矿的形式存在。
20世纪70年代到80年代,前苏联在军备竞赛和计划经济时期投入了大量的人力和物力,从有色金属钨、钛、铀、铝等的生产过程的副产品中综合回收钪,对钪的性质、生产和应用进行了比较全面系统的研究。他们不仅拥有湿法冶金提取钪和制备钪化合物的技术,而且可以生产出包括锭、丝、棒、箔、膜、粉末和单晶钪的各种材料,纯度达99.0% ~99.9999%。在此基础上,俄罗斯还率先开展了含钪合金的研究,开发了许多实用的工业含钪合金,并在航空航天、舰艇、核能等许多高技术新材料领域获得了应用。1994年10月,在莫斯科召开的第一次钪国际科技会议成为钪发展史上的一个新的里程碑。此后,许多国家,包括中国,掀起了钪的生产和研究热潮。近年来,钪及其化合物的应用研究不断深入,随着钪生产和科技的发展,发现了其愈来愈多的潜在用途,钪及其化合物的实际应用领域迅速扩大。在西方国家,特别是日本和美国,钪在电光源中的应用研究取得了巨大进步,如钪钠灯得到了日益广泛的应用。
我国钪资源丰富,特别是我国的丰产矿物如铝土矿和磷块岩矿床、华南斑岩型和石英脉型钨矿床、华南稀土矿、内蒙古白云鄂博稀土铁矿床和四川攀枝花钒钛磁铁矿床等均含有钪。据估计,在铝土矿和磷块岩矿中的钪储量就约占所有含钪矿床总储量的51%,其含量通常为世界铝土矿钪平均含量(按Sc2O3计为38μg·g-1)的1~4倍,有可能成为我国的钪提取的主要矿源。我国是世界钪市场上氧化钪初级产品的主要输出国,如何把我国钪资源优势转化为资源-技术优势是我国冶金材料科学工作者面临的重大课题。
在我国,钪冶金已经有相当的规模,铝钪合金的研究也已列入国家“十五”和“十一五”规划,我国钪冶金及含钪合金的研究与开发将迎来一个新的繁荣时期。但是目前国内外还没有一本从理论和实践上全面深入系统介绍钪和含钪合金的专著,从事钪资源研究、钪冶金和含钪合金研究与开发的科技工作者、厂矿技术人员及相关的大专院校师生希望有一本全面论述钪和含钪合金的专著。
作者意欲在自己多年学术研究和科研成果的基础上完成这一任务。本书收集了20世纪80年代以来钪和含钪合金的最新研究成果,其中包括了作者自己在几个国家项目资助下所取得的系列成果。全书在内容安排上,注重钪冶金和含钪合金制备过程的化学冶金和物理冶金基础,同时以应用为导向,对钪中间合金、含钪铝合金的化学冶金和物理冶金基础及其开发应用进行了重点阐述。在写法上突出理论原理和学术成就对生产实际和应用开发的指导作用。
本书第1章和第2章由李汉广编写,第3章由姜锋编写,第5章中的“Al-Mg-Sc系合金的实验研究”、第6章中的“Al-Zn-Mg-Mn-Sc-Zr合金”和“Al-Zn-Mg-Mn-Cu-Sc-Zr合金”、第7章中的“铝铜锂钪系合金实验研究”和第8章的“铝锂铜镁钪系合金”由潘清林编写,第4章、第9章、第5章以及第6章、第7章、第8章的其余部分由尹志民编写,第10章由宋练鹏编写。作者在编写本书的过程中参考了大量文献和资料。特别是俄罗斯专家几次应邀来华访问期间和作者赴俄罗斯留学和访问期间得到了莫斯科全俄轻合金研究院V.Z.Zakharov教授、Ju.A.Filatov教授等的帮助,他们向我们提供了在国内无法得到的前苏联在钪和含钪铝合金方面的研究资料,作者从中获益匪浅。与此同时,作者在含钪合金研究过程中,得到了2项国家自然科学基金、2项国家973子项目、1项总装预研项目、3项国家863高技术新材料项目和1项科技部国际合作重点项目的资助,这些研究项目为本书的编著提供了丰富的素材。在此,谨向所有提供参考文献的作者和资助单位表示衷心的感谢。同时,也对在本书编写过程中提供过大量帮助的博士生和硕士生们表示谢意,他们是:博士生聂波、徐国富、彭勇宜、何运斌、梁文杰、雷学锋、何振波,硕士生高拥政、张永红、杨磊、尹松波、郭飞跃、朱大鹏、陈显明、白兰、朱朝明、杨进、王新宇、周昌荣、邹亮、刘元斐、陈苏里、肖静、牟申周、李雪、蒋春丽、蒋蓉蓉等,作者在此一并表示深深的谢意。
钪和含钪合金发展很快,内容也很丰富,但限于时间和作者水平,书中不妥之处在所难免,竭诚希望同行专家、读者批评指正。
作者
2007年8月8日
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