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在化学元素周期表中,钼元素不怎么引人注“钼”,它不像铝、铁那样常见,不如铂、金贵重,更不似氧、氢那般构成了生命的主体。然而,钼元素与人类的关系其实密切,而关于钼元素的方方面面,有一些趣事你可能并不了解。
钼曾被误认为铅
虽然早在14世纪,人们就懂得利用含钼的钢铁来锻造军刀,但那个时候,人们还没有意识到钼元素的存在。原因在于,钼元素在地壳中的含量约为百万分之一,分布也比较分散,属于比较稀有的金属。而且,钼元素往往不是以单质的形式存在,主要与硫结合成化合物,形成辉钼矿,或者偶尔与铅、铜组合,生成铅钼矿和铜钼矿。
16世纪之前,当人们发现辉钼矿的时候,看到它为铅灰,具有金属的光泽,而且辉钼矿多以细微柔软的鳞片状产出,具有挠性(金属或矿物受力发生变形,在作用力失去之后不能恢复原状的性质称为挠性,与“弹性”相对),摸起来还有种油腻的感觉。这和石墨的性质十分相似,所以辉钼矿被误以为是石墨。后来,人们在寻找铅矿石的时候,发现辉钼矿的外观类似于方铅矿,于是,又把钼误认为是铅。所以,人们便用古希腊语中的“molybdos”(意思是“铅”)命名辉钼矿。
直到1778年,德国化学家卡尔·舍勒才首次实,钼辉矿并不是方铅矿,也不是石墨,而是一种新的矿物,含有新的元素。但是,舍勒没有办法将这种新的元素从矿石中分离出来,所以他没能成为个发现钼元素的科学家。有趣的是,舍勒被后世称为“倒霉蛋科学家”,他的坏运气就是从错失钼元素开始的,后来舍勒又从空气可以助燃的实验现象中差点发现了氧气,但却因为迷信燃素说而将发现氧气的机会留给了安托万·拉瓦锡。
在舍勒之后,其他科学家也试图从辉钼矿中提取出新元素,他们让辉钼矿发生氧化反应,然后将粉末放入水中,形成钼酸,但仍然无法从中析出钼金属。终于,在1781年,瑞典化学家彼得·海基尔姆幸运地摘取了科学果实。他将碳粉、亚麻籽油和钼酸混在一起,搅拌成糊状,然后用封闭的坩埚对这一团“浆糊”加热。终于,海基尔姆用这样的“碳还原法”将新的金属从辉钼矿中分离出来,他随即将该金属命名为“钼”。至此,人们才开始了解到钼元素的真面目。
战争使钼名扬天下
1781年,人们开始懂得如何得到金属钼,但此后的100多年里,全世界金属钼的总产量也不超过10吨。由于钼元素易于氧化,且冶炼和加工水平有限,人们似乎还不知道如何将这种金属大规模地应用到工业生产中来。
不过,钼元素适合重工业的优点还是有目共睹的,它硬而坚韧、耐腐蚀、耐高温,熔点仅次于钨、钽,它注定会成为人类重要的工业原料。1891年,法国施耐德公司率先将钼作为合金元素生产出了含钼的钢板,发现其性能,而且钼的密度仅是钨的一半,钼便逐渐取代钨成为炼钢的合金元素。到了20世纪,人类爆发了两场规模空前的世界大战,统计资料显示,在次世界大战中,钼的年产量从数吨瞬间飙升到了100吨,而到了二战时期,又增长至1万吨。为何战争促进了钼的生产?这是因为它太有用了。
我们知道,“陆战”——坦克就是在一战中发明的。初,英国人为了增强坦克的防御力,给坦克安装了75毫米厚的锰钢板,但这种笨重的坦克在战争中表现得并不怎么样。后来,英国人通过试验,将锰钢板换成钼钢板,在不削弱防御力的前提下使得坦克的厚度减了50毫米,结果,更加机动灵活的坦克才得以大显神威。
同样,德国的攻坚——“大贝尔莎”巨炮,也是用钼钢做成的。一战前期,应德国总参谋部的要求,德国工业巨头克虏伯公司研制出了史无前例的重炮,并以古斯塔夫·克虏伯的妻子贝尔莎命名。“大贝尔莎”的口径为420毫米,炮身重43吨,需要200位德国军人花6个星期才能组装完毕。更吓人的是,“大贝尔莎”的重820千克,射程15千米,再坚固的工事也经不住它来这么一发。克虏伯之所以能够研制出威力如此惊人的巨炮,其秘诀就在于使用了材质的钼钢来制作炮身,因为当“大贝尔莎”发射时,只有耐高温的钼能够抵御产生的热量,以免熔化炮身。
到了第二次世界大战,钼元素同样发挥着重要的作用。当时,战场上的坦克莫过于德国的式坦克,其类型包含Ⅰ型和Ⅱ型两种。从1942年服役至1945年德国投降,式坦克一直活跃于战场线,它所向披靡,抵挡。不过,在库尔斯克会战中,苏联人俘获Ⅱ型坦克后对其进行了测试,发现Ⅱ型坦克并不像传说中的那样坚不可摧,虽然它装甲很厚,但是防御效果相对于Ⅰ型并未有较大提升。之所以出现这种状况,其实是由于德军所占领的挪威克纳本钼矿在1943年被盟军轰炸,从而使德军失去了钼的来源。战争初期,德军的Ⅰ型坦克都采用了钼钢,这种钼钢耐腐蚀,在高温条件下仍然具有较高的强度,而Ⅱ型坦克的厚装甲中已经无钼可用,所以影响了德军装甲部队的战斗力。
钼是多才多艺的金属
两次世界大战使人们意识到钼对于军事的重要作用,战后,钼的年产量由10万吨上升到如今的20多万吨。钼在“战争金属”美誉的同时,其应用范围也越来越广,是在核能、医疗等高科技领域发挥着越来越重要的作用。
2018年,俄罗斯的莫斯科工程物理学院的科学家们发表了一项关于核燃料保护套的研究,他们使用钼合金代替现有的锆合金来用作核燃料保护外壳,可以提高核电站的性。
在现有的核电站中,铀燃料棒是安装在锆合金保护外壳内的。锆合金具有很高的耐腐蚀性,而且锆几乎不会和中子反应,所以是好的核燃料棒保护外壳。但是,在端情况下,比如由于地震和海啸导致应急冷却系统出现故障时,核反应堆内冷却水的水平面会一直下降,使铀燃料棒处于裸露状态,那么冷却不足会使高温的锆合金外壳与高温水蒸气产生氢化作用(即锆水反应),这会导致反应炉熔毁以及氢气爆炸——2011年的日本福岛核电站事故就是这样发生的。如果想要避免类似的事故,办法之一就是寻找一种比锆合金更优秀的核燃料棒保护外壳,而在众多金属材料中,只有钼同时满足比锆更耐腐蚀、更耐热、有更高的导热性以及更小的中子截面积(意味着不与中子反应)的条件,因而特制的钼合金很可能会在未来成为核电站防护装置的主要材料。
钼元素还被应用于医疗实践。比如,锝99是应用广泛的放射性造影剂,不过,锝99只能由一种方式制备,那就是钼99衰变。钼99是钼的一种放射性同位素,它的半衰期为2.75天,半衰期过后,钼99衰变为锝99。钼99的半衰期理想,这个时间不但了钼原子在原料地到医疗场所的运输过程具有的稳定性,而且了锝99的放射性可以在短时间内。如果半衰期过短,在运输过程中,钼原子可能产生放射性辐射的危险;如果半衰期过长,将影响医疗诊断的效率。在核医学中,80%的医疗到了锝99,而在美国,每天使用锝99的诊断就达 55000多起,所以,钼的重要性不言而喻。
生命对钼很敏感
生物老师常常会讲一个故事:某一年,新西兰的一个牧场遭遇了干旱,大量牧草枯萎而死,但有一条矿工经常踩踏的小路边上生长着茂密的绿草。这是为什么呢?原来这里的矿场是钼矿,矿工们每天工作,身上难免会沾上矿渣,当他们走路时不经意间将矿渣撒落在小路上,就如同上天赐予的“大补丸”,给路边的小草提供了的养料。另外,科学已经明,对农作物施加钼肥,可以增强农作物的抗病、抗旱和抗旱能力,提高产量。比如,根据科学家的统计,每亩农田施加钼肥20克,可使小麦增产35%,而大豆则可增产47%,蚕豆增产8%,绿豆增产32.8%,番茄增产75%。
钼不仅是植物生长和发育中的微量元素,也是植物发挥固氮功能的重要元素。氮是生命之源,有了氮,植物才变得有营养。然而,植物并不能直接吸收空气中的氮气,它们需要在固氮菌的帮助下,通过化学反应将氮元素吸收并存储起来。固氮菌为植物固氮的过程很复杂,需要一种催化剂,名为固氮酶,金属钼正是固氮酶的重要成分。每年,植物固氮总量约1亿吨,远超过人工固氮量,这都是钼元素的功劳。
不仅植物需要钼,我们人体内也需要钼,只不过需量少。成年人体内大约只有9毫克钼,而且它们分散在身体的各个部分。虽然如此,我们对于钼还是敏感的。比如,钼与我们头发的颜有关,因为钼元素会使头发偏红褐。又比如,我们的情绪也容易受钼的影响,有它,我们会精力充沛,神气十足,缺少或无它,我们会感到疲惫不堪,浑身乏力。钼为什么有这么大的本事呢?原因在于,钼是两种在新陈代谢中起重要作用的酶的组成成分,一是黄嘌呤氧化酶,一是亚硫酸盐氧化酶。这两种酶有钼存在时才具有活力,没有钼,就会失去活力,起不了催化作用。
由于钼在食物中比较广泛地存在着,小麦、豆类、猪肉、牛奶、蜂蜜都含有钼,人对于钼的需要量也不高,所以我们一般不会缺钼。如果身体摄入多余的钼,反而会引起金属中毒。
由此看来,钼这种罕见的元素,与我们的日常生活还真息息相关呢。
引 言
随着电子及信息产业的迅猛发展,对溅射靶材的需求不断增加,同时对其技术及靶材性能的要求也在不断提高。 难熔金属钼具有高熔点(2620±20℃)、高弹性模量(280~390 GPa)、低线性热膨胀系数(5.8 ×10-6 ~ 6.2 ×10-6 / K)、高耐磨性、良好的导电/ 导热性能和热稳定性[1 - 3]。 因此,钼靶材经磁控溅射制成的钼合金薄膜是平面显示用液晶显示器面板的电或配线的关键材料。
在电子行业中,为了提高溅射效率和确保溅射薄膜的质量,要求溅射靶材具有高纯度、高致密度、晶粒细小且尺寸分布均匀、结晶取向一致等特性。
纯钼靶材溅射出的薄膜在耐腐蚀性(变) 和密着性(膜的剥离)等方面仍有待改善。 已有研究表明:在钼中加入适量合金元素(V、Nb、W、Ta)可使其比阻抗、应力、耐腐蚀性等各种性能达到均衡。 因此,目前钼合金靶材已经取代纯钼靶材成为研究的热点。 添加 W 可以有效提高钼的高温强度和再结晶温度,抑制钼靶材中的晶粒长大,但是钨的比重大且室温脆性大,钨添加量较大时会导致钼合金靶材较重,且塑性降低,容易萌生裂纹[4]。 Jorg 等[5]的研究表明,在钼中添加 20% (原子数分数)Al 和 10% (原子数分数)Ti 可以改善钼的抗氧化性能,并同时保持其低电阻率。 由于钼与铌均具有体心立方的晶体结构, 两 者 之 间 的 晶 格 错 配 度 低, 在 钼 中 添 加5% ~ 10% (质量分数) Nb 可以显著提高溅射薄膜的比电阻、耐腐蚀性能和黏结力[6 - 7]。 由于钽会优先被氧化形成钝化层,所以添加Ta元素可以降低薄膜的腐蚀率,但会造成钼合金薄膜电阻率升高[8]。
与钼铌合金薄膜相比,钼钽合金薄膜晶粒细化效果更加显著,薄膜沉积速率更大,薄膜表面粗糙度更小,但薄膜的电阻率更大[9]。Mo 靶材组织对溅射薄膜形貌与性能的影响研究结果表明:靶材组织、择优取向对薄膜形貌与取向影响不大,但靶材晶粒尺寸及均匀性会影响薄膜沉积速率、薄膜厚度及薄膜的方阻[10]。 马杰等[11] 研究了钼靶材变形量及热处理对薄膜组织与性能的影响,结果显示:相较于变形量小的钼靶材,80% 变形量的钼靶材溅射所得薄膜晶化程度更高;钼靶材经1 050 ℃退火后溅射制得薄膜粗糙度小。
磁控溅射是钼合金薄膜的主要制备技术。 靶材作为磁控溅射过程中的关键材料,不仅使用量大,而且靶材质量的好坏对钼合金薄膜的性能起着决定作用。 本文从粉体优化、混粉工艺、成型和烧结技术等方面对钼及钼合金溅射靶材相关专利进行了统计与分析,旨在为开发高品质钼合金多元靶材提供借鉴。
1 、专利统计与分析
1.1 粉体优化
专利(CN 103990802 B) [12] 通过优化 Mo 粉末的性状,开发出了一种高密度、高纯度 Mo 合金溅射靶材的制备方法,所制备 Mo 合金溅射靶材能够稳定、廉价地制造出低电阻、高耐湿/高耐热性、与基体密合性的高品质薄膜。
专利(CN 103173728 B) [13] 发明了一种廉价且可稳定制备 Mo 合金溅射靶材的方法,即将 Mo 粉与1 种或 2 种以上的 Ni 合金粉末混合(Ni6Nb7、Ni3Nb),在 800 ~ 1 500 ℃ 下加压烧结(10 ~ 200 MPa)。 Mo合金中 Ni 与 Nb 含量低于 50% (原子数分数),其中Nb 含量低于 20% (原子数分数)。 该专利避免了使用 Mo、Ni、Nb 粉末作为原料,解决了合金化不充分造成的 Ni 铁磁相的残留,稳定了溅射速度,提高了靶材寿命。
专利(CN 102127741 A) [14] 提出了一种薄膜太阳能电池用高纯钼靶的制备方法。 该方法首先采用钼酸铵为原料,经焙烧获得三氧化钼,随后在 450 ~600 ℃高纯氢气气氛下进行一次还原得到二氧化钼,再在 950 ~ 1050 ℃进行二次还原得到 Mo 粉,然后经过混料、筛分、等静压成型后,在中频感应炉中于 1 950 ~ 2 000 ℃烧结,通过大功率电子束熔炼提纯,经锻造、热轧、热处理退火、机械加工、超声波清洗、钎焊等工序制得高纯度、高密度和均匀性良好的钼靶。 该专利的之处在于:(1) 通过高纯氢气多次还原氧化钼提高钼粉纯度;(2) 采用大功率电子束熔炼提纯有利于碳氧充分反应,提高脱氧效果;(3)大变形量热轧可确保钼靶材晶粒平均尺寸小于 50 μm。
专利(CN 103160791 B) [15]采用三氧化钼、氢氧化钠和钼金属为原料,经过反应、球磨、过筛和热压工序制成钠掺杂钼平面溅射靶材,其中钠的原子数分数为 1% ~ 10% ,钠的掺杂能够大幅度提高铜铟镓硒薄膜电池的转换效率。
专利(CN 114411103 A) [16] 公开了一种大尺寸钼靶材的制备方法。 其方案具有以下优点:(1) 采用“氨溶 + 阳离子交换” 对原料粉末进行针对性提纯,可有效去除碱性金属(如 K、Na 等) 和过渡族金属杂质(如 Fe、Ni 等);(2)通过“预锻 + 交叉轧制 +高温退火” 的工艺设计,有利于获得微观组织均匀可控、晶粒细小、晶粒取向分布均匀的靶材;(3) 通
过表面化学腐蚀解决了传统轧制存在的变形不均匀问题。
专利(CN 114318256 A) [17] 公开了大尺寸钼溅射靶材及采用化学气相沉积法的制备工艺。 具体为:通过钼与三氟化氮反应制备出粗品六氟化钼,随后经真空蒸馏法和吸附法提纯得到高纯度六氟化钼,再在还原气氛下,经过化学气相沉积在基体材料上沉 积 金 属 钼。 该 方 法 所 制 备 靶 材 纯 度 高(99.999 9% 以上),致密度高(不低于 99.5% );此外,该方法在化学气相沉积设备中一步完成,产品一致性优于传统钼靶材,且可用于生产直径 500 mm以上的大尺寸钼靶材。
专利(CN 105648407 B) [18] 公开了一种高致密度钼铌合金靶材的制备工艺。 以钼粉为原料,添加5% ~ 15% (质量分数)铌粉、0.1% ~ 0.8% (质量分数)氢化锆进行混合,经过冷等静压成型,再进行真空烧结。 该发明的特点在于利用氢化锆的活化作用,通过粉末冶金直接制备高致密钼铌合金靶材。
专利(CN 10943990 A) [19] 利用氢化铌的活化作用,采用粉末冶金工艺制备高致密度、高含量钼铌合金溅射靶材。 专利(CN 110257784 A) [20] 同样采用粒度更小、表面积更大的氢化铌替代铌粉,提高扩散速率及烧结致密度,同时氢化铌分解释放的氢气具有还原作用,可降低钼铌合金中的氧含量,提高靶材纯度。
专利(CN 105568236 B) [21]发明了一种高纯、高致密、大尺寸 MoTi 合金溅射靶材的制备方法。 将钼和氢化钛原料在氩气气氛下进行混合并采用冷等静压压制成型,随后在真空烧结炉中进行两段烧结,轧制、退火、机械加工获得成分均匀、无偏析且晶粒尺寸小的靶材。
专利(CN 106513664 B) [22] 采用钼酸钾为原料制备钼钾合金靶材,避免了杂质的引入,所制备靶材密度高、成分均匀,镀膜效果好。高世代钼靶材对靶材纯度、晶粒尺寸、致密度提
出更高的要求,常规方法生产成本高、成品率低。 基于此,专利(CN 108642457 B) [23]公开了一种方法简单、生产成本低、成品率高、利于工业化生产的高世代钼靶材的制备方法。 具体为:将两种不同粒径的钼粉在真空下混合后过筛,进行等静压处理,再烧结、热轧、真空退火。 该方法制得靶材致密度超过99.5% ,靶材内部无气孔、裂纹、分层、夹杂等缺陷,靶材表面粗糙度小于 0.6 μm, 平均晶粒不 超 过80 μm。
相比平面靶材,管状钼合金溅射靶材利用率更高(理论上可达 70% ),得到国内外的广泛研究和应用。 专利(CN 110158042 B) [24] 先通过制备大颗粒钼铌粉体,提高粉体成型时的流动性,同时采用粗细粉体级配的方式提高松装密度,从而制得成分均匀、无偏析、晶粒细小( 小于 50 μm) 的钼铌合金旋转靶材。
专利(CN 114231940 A) [25] 将六羰基钼颗粒在高纯氢气和氩气气氛中加热到 40 ~ 60 ℃使其气化,再利用化学气相沉积法在预热基体材料上进行沉积,从而制得钼溅射靶材。 其优势在于成膜速度和成膜质量可以通过控制气体流速、流向进行调控,同时调整沉积时间、沉积基板材质、形状和尺寸,可以沉积不同厚度、不同尺寸、不同形状的钼靶材或钼靶材坯料,且由于沉积温度低,不会产生污染废气。
专利(CN 111254396 A) [26] 公开了一种钼钨合金靶材的制备方法。 其特点在于以钼粉、钨粉、三氧化钨粉体作为原料,利用三氧化钨与氢气反应得到烧结活性更高的新鲜钨粉,提高烧结致密化,减少缺陷,提升靶材品质。
钨钼因密度差异大易造成组织出现偏析,影响靶材组织均匀性,且热轧法制得靶材通常具有取向性,热等静压技术成本较高并增加了工艺复杂性。
专利(CN 111893442 B) [27]针对以上问题,提出了一种钨钼溅射靶材制备方法。 其特点在于:(1) 使用密度与 Mo 更接近的三氧化钨替代钨,在氢气气氛下两次高温处理原位还原得到均匀混合的钼钨混合粉体,提高靶材烧结均匀性;(2)通过高能球磨细化粉体,提高粉体烧结活性,获得高致密性的坯体;(3)采用冷等静压成型并进行预烧,促进易挥发非金属元素(如氧)的脱除。
专利(CN 111534800 B) [28] 将高纯的钼粉和铌粉进行压制,并在氢气下预烧,降低钼铌中的氧含量和杂质,基于所制备的高纯度、低含氧量、高振实密度钼铌合金粉末,提出了一种热等静压制备大尺寸钼铌平面靶材的方法。
专利(CN 106567047 A) [29] 采用氮化硼和石墨的组合模具热压制备钼铌合金,有效阻止了渗碳现象,获得了高致密度、高纯、微观组织可控的钼铌合金靶材。
1.2 混粉工艺优化
专利(CN 102337418 B) [30] 针对传统等静压结合烧结工艺制备钼铌合金烧结致密度不足、满足溅射靶材要求问题,提供了一种工艺简单、易实现工业化生产的钼铌合金板的制备方法,所制备靶材密度不低于 9.85 g / cm3。 该发明的特点在于采用振动压制方式对混合得到的钼铌合金粉体进行压坯,振动频率为 2 000 ~6 000 Hz,压制力为 10 ~30 MPa,
保压时间为 30 ~ 60 s;随后在 1 900 ~ 2 100 ℃ 真空烧结 6 ~ 10 h。
专利(CN 105887027 B) [31]在混合钼、铌粉体时加入过程控制剂(硬脂酸锌、棕榈酸、硬脂酸乙酯、聚乙烯醇和硬脂酸中的一种或几种),在球磨过程中过程控制剂能够包覆在金属粉末表面,形成一层润滑薄膜,降低粉末表面能,减少了粉末间的冷焊,从而解决了粉末粘球和粘罐问题,同时缩短了球磨时间。
溅射靶材的晶粒均匀性在很大程度上影响着薄膜质量和电子元器件性能。 因为靶材不同区域晶粒尺寸的差异会引起溅射速度的差异,进而造成薄膜厚度不均匀。 因此,如何提高溅射靶材晶粒均匀性是平 面 显 示 领 域 面 临 的 关 键 难 题。 专 利 ( CN109355632 B) [32]提出了一种提高溅射镀膜用钼及钼合金溅射靶材晶粒均匀性的方法。 其特点在于:
采用球磨—分级联合处理减少钼粉还原过程中的硬团聚,从而坯体烧结的微观晶粒均匀性以及溅射镀膜微观和整体均匀性。
专利(CN 103255379 A) [4] 基于 MoW 合金导电性好、抗氧化且膜应力低等优点,提出了一种 MoW合金平面溅射靶材的制备方法,克服了现有方法制得成分均匀、无偏析、晶粒细小靶材的难点。 该发明的特点之一在于采用机械合金化技术实现钼和钨原子级别的混合,在固态下实现了合金化,显著提高了 MoW 的活性,降低了 MoW 的烧结温度,从而提高了合金致密度、降低了晶粒尺寸。 类似地,专利(CN 105154740 A) [33] 公开了一种机械合金化制备铌钼靶材的方法。
专利(CN 108374152 B) [34] 通过机械混合使钼粉均匀渗入海绵钛孔隙中以确保钼粉不发生泄漏,同时在真空自耗电弧熔炼炉中进行熔炼,促使合金铸锭成分均匀化,从而制备出 100% 致密的、成分均匀的 钼 钛 合 金 溅 射 靶 材。 类 似 地, 专 利 ( CN109811318 A) [35]以溅射法生产的 99.9% 纯度的钼合金为原料,采用电子束冷床熔炼工艺制备纯度大
于 99.98% 的钼溅射靶材。
专利(CN 102321871 B) [36] 发明了一种热等静压生产平板显示器用钼合金溅射靶材的方法。 将低氧含量的钼粉与添加的金属粉末(铌粉或钽粉) 在惰性气氛保护下进行混合造粒、过筛,液压成型制成靶坯,随后经冷等静压提高均一性,再热等静压烧结(压力 200 ~ 300 MPa,温度 1 200 ℃)。 该发明生产周期短、工序少、能耗低,所制备钼合金靶材致密度高、均匀性好、性能。
专利(CN 107916405 A) [37] 通过改进混粉工艺严格控制杂质的引入,提出了一种高密度、晶粒细且均匀的钼钽合金溅射靶材的制备方法。 该发明能够靶材吸氢脆化,提高靶材加工性能。 其特点在于:对钼粉和钽粉进行真空预烧处理,去除了粉体中的氢、氧及低熔点物质;在粉体混合时采用氩气保护减少杂质的混入;选择钼球替代钢球进行球磨,减少铁杂质的掺入。
1.3 轧制工艺和烧结方法
大尺寸钼板由于坯料重量及尺寸规格较大,制备中存在两个问题:一是在常规尺寸氢气炉中加热,二是直接加热轧制时钼坯降温严重,容易出现轧制开裂的现象。 专利(CN 102534519 B) [38] 针对上述问题提出了一种 LCD 平板显示器溅射靶材用大尺寸钼板的制备方法。 采用涂刷抗氧化涂层(玻璃粉、水玻璃、水按质量比 8 ~ 10∶ 1∶ 8 ~ 10 混合)和钢包套包覆的方式缓解加热和轧制时的氧化问题及坯料降温严重导致的开裂问题,并在次轧制后通过冷却抑制组织不均匀长大和再结晶,制备出尺寸均匀的等轴晶组织。
专利(CN 114411103 A) [39] 公开了一种大尺寸钼靶材及其制备方法,所述制作方法包括如下步骤:行粉体装模,随后进行冷等静压,再经过烧结,并采用一火二道次轧制法进行热轧处理,进行校平、热处理、机械加工和清洗,制得大尺寸钼靶材。
该方法采用一火二道次轧制法,有效了钼靶因持续高温造成的晶粒异常长大,制得的大尺寸钼靶材可以用于高世代线平板显示器。
专利(CN 112609162 A) [40] 公开了一种 LCD 钼靶材及其轧制方法。 采用三个火次进行轧制,避免了钼靶坯在轧制过程中发生板面绕曲及开裂现象,降低了操作难度,提高了成材率。 所制备靶材纯度达到 99.95% 以 上, 平 面 度 ≤1.3 mm, 致 密 度 超过 97% 。
纯 Mo 中引入置换固溶元素 Ti 形成 MoTi 固溶体,可改善钼的低温塑性并提高钼的再结晶温度。但 MoTi 合金多采用热等静压或热压烧结制备,对设备要求严格,限制了产品规格尺寸。 基于此,专利(CN 104532201 A) [41]提出了一种 MoTi 合金溅射靶材的制备方法。 将钼粉和钛粉在氩气中进行混料,随后冷等静压成靶坯,在氦气气氛下烧结。
G6 世代线以上的 TFT - LCD 产线主要使用长条型的钼靶。 通过多次轧制获得长条形钼靶材的生产效率不高,而热挤压方法制备的钼靶晶粒较大,致密度 满 足 使 用 要 求。 专 利 ( CN 111647860B) [42]将钼粉装入胶套进行冷等静压成型获得坯体,并在氢气氛围下烧结,再进行热挤压,退火、校平、机加工得到长条型钼靶。
专利(CN 111850495 B) [43] 采用阶段升温的烧结方式,通过控制升温速率,促使钼靶材致密化、均匀化。 该发明制备钼靶材晶粒尺寸小、纯度高( ≥99.97% )、致密度高(≥99.9% )。
专利(CN 110777343 A) [44] 在真空下采用微波烧结将钼生坯烧结成钼板坯,并通过电子束熔炼进行提纯,解决了传统方法烧结时间长、烧结温度高、晶粒粗大、杂质含量高、能耗高的问题。 所制备靶材晶粒细小均匀,具有一定的结晶取向,性能优良。
专利(CN 111230096 A) [45]将混粉工艺、脱气工艺和热等静压烧结工艺相互配合,致力于改善合金靶材的致密度。 该发明制得的铬钼靶材晶粒尺寸细小,致密度在 99% 以上,同时此工艺可有效保障产品不受外界氧化,确保产品纯度。
热等静压烧结制造的 Mo - Ni - Ti 合金靶材存在部硬度不均匀的部位,其中部硬度低的部位在机械加工时易变形,产生裂纹、缺损、脱落等问题;部硬度高的部位将造成切削刀具磨损,引起靶材表面粗糙度变大,导致溅射时异常放电。 基于此,专利(CN 111719125 A) [46] 提出了一种 Mo 合金靶材的制备方法,通过对混合粉体(Mo、NiMo、Ti 粉末)常温加压成型再加压烧结,并调整 Mo 合金靶材中Ni 和 Ti 的添加量,实现对 Mo 合金靶材维氏硬度的调节(340 ~ 450 HV),抑制机加时的靶材变形以及溅射时的异常放电。
专利(CN 104073771 A) [47] 将冷等静压制得的靶坯密封在真空石英管中进行烧结,采用多段升温,使 PVA 粘结剂充分挥发,制得钠掺杂钼合金靶材。
专利(CN 105714253 B) [48] 将钢膜和橡胶板结合进行冷等静压成型,解决了密封问题,克服了传统冷等静压压坯尺寸精度差的问题,并据此提出了一种大尺寸、细晶钼钽合金溅射靶材的制备方法。 该方法用于生产致密度大于 97% 的大尺寸靶材(长度2 m 左右,宽度 1.3 m 左右)。
1.4 其 他
专利(CN 105525260 A) [49] 公开了一种 Mo 靶坯和 Mo 靶材的制作方法,即对预压 Mo 粉进行脱气处理得到 Mo 靶坯,再进行热等静压获得 Mo 靶材(温度 1 300 ~ 1 400 ℃,压力大于 150 ~ 200 MPa,保压时间 3 ~ 6 h),克服了热压烧结中 Mo 靶材尺寸对模具尺寸和强度的依赖及单轴加压造成的 Mo 靶材内部组织不均匀问题。
随着智能手机和平板终端向柔性化发展,具有轻量、耐冲击和不易破碎等性质的树脂膜已被用于制造柔性 FPD。 但相比玻璃基板,树脂基板具有透湿性(高温高湿环境会导致布线膜的电阻发生变化),且通常在基板上形成层叠布线膜后,层叠布线膜不可避免地接触大气,这就要求层叠布线膜具有更高的耐湿性和耐氧化性。
专利(CN 102956158 A) [50]提出一种电子部件用层叠布线膜以及覆盖层形成用溅射靶材。 即在 Mo 中添加一定量的 Ni 和 Ti,制得Mo100 - x - yNixTiy(10≤x≤30,3≤y≤20)覆盖层,用于覆盖以 Al 为主要成分的主导电层。 Ni 的添加可提高覆盖层的耐氧化性,改善纯 Mo 在大气中加热后的氧化变及电接触性恶化问题。 Ti 易与氧结合形成钝化膜,进一步提高其耐湿性,起到保护布线膜的作用。 同时该专利指出,通过控制 Ni 和 Ti 添加量,可确保加热工序中该覆盖层在与 Al 层叠时仍维持低电阻值。
专利(CN 114293160 A) [51] 以 Mo 为基体,提出了一种三元、四元钼合金靶材制备方法。 其中掺杂元素包含 0.5% ~ 40% (原子数分数) Ti 以及 0.5%~ 40% (原子数分数)的 Ga、Ni、Nd 中的至少一种元素。 所制得多元钼合金靶材相比二元合金 Mo 靶材,具有的耐氧化性、耐湿性、耐高温性能。 此外,低表面张力金属元素的掺杂改善了刻蚀性能。
专利( CN 109207941 A) [52] 提出了一种 MoNb合金靶材的制备方法(其中 Nb 的原子占比为 5% ~30% ),能够解决布线薄膜、电薄膜的基底膜与覆盖膜上出现的高电阻问题以及高成膜速度时靶材表面粗糙度变大问题,从而改善 TFT 性能稳定性。 其制备过程为:将 Mo 粉(平均粒径 4 μm)和 Nb 粉(平均粒径 35 ~ 115 μm)通过交叉旋转混合机进行混合
得到 10% Nb(原子数分数) 的混合粉体,随后填充至软钢制的加压容器中,并在 450 ℃下真空脱气、密封,然后在1250 ℃、145 MPa 热等静压处理 10 h 得到烧结体, 经机械加工和研磨后制作成直径180mm、厚度5mm的靶材。
钼镍铜多元合金薄膜不仅具有良好的热电和机械性能,而且气密性好、 不易潮解。 专利 ( CN110670032 B) [53]公开了一种钼镍铜多元合金靶材的制备方法。 该方法通过添加镍和铜降低钼合金熔点,借助烧结工艺参数调控解决了 3 种金属粉末熔点相差大导致的难烧结问题。 所制备钼镍铜合金靶材气密性好、耐湿耐潮、密度高、纯度高。
专利(CN 113319539 B) [54] 提供了一种大尺寸面板钼靶的制备方法。 具体步骤为:将靶材及背板进行粗铣和精铣,然后将靶材与背板进行钎焊,然后进行校正、烘干、抛光以及喷砂处理。 该方法提高了钼靶与背板的结合率,提高了产品的合格率,减少了资源浪费。
专利(CN 103154306 A) [55] 涉及一种含钼靶材制备方法,包含二元合金( MoTi)、三元合金( MoTi中加入 Ta 或 Cr 作为第三主金属元素)。 其具体步骤为:将钼粉、钛粉和钽粉(或铬粉) 按一定比例在V 型混料机中混合约 20 min,在 23 ℃ 条件下,通过单向压制法( 压力约 470 MPa) 压实得到直径约95 mm 的颗粒,将压制颗粒封装在低碳钢罐内进行热等静压处理(120 MPa,1 325 ℃,4 h),将热等静压后的材料加工成直径约 58.4 mm、厚度约 6.4 mm的靶材。 该发明制得的靶材在较低刻蚀速率下具有一定的优势,且溅射得到的薄膜对基材有较强的粘附性及低的电阻率。
2、 结 论
基于对上述专利的分析可以看出,钼及钼合金溅射靶材的制备主要采用粉末冶金技术,需要经过粉末混合、压制成型、烧结、压力加工和机加工等多道工序。 制备高质量的钼合金溅射靶材往往需要进行压制和烧结、多道次的轧制与反复的热处理。 由于热等静压或热压烧结设备规格有限,限制了产品的尺寸规格。 因此,开发一种方法简单、成本低、成品率高且利于工业化生产的高品质大尺寸钼合金溅射靶材制备方法具有重要的意义。 此外,目前 Mo 合金靶材中主要添加元素有 Nb、Ti、Ta、W 等,鉴于每种掺杂元素的作用和性能各不相同,而三元及多元钼合金靶材的研究和应用还不够全面,因此针对不同应用领域对钼合金薄膜性能的不同需求,通过成分设计与微观组织调控开发出新型组分钼合金靶材将是一个重要的发展方向。
废钼回收的环保意义与政策支持
钼矿开采伴生重金属污染和生态破坏,而废钼回收可大幅减少环境负荷。每回收1万吨废钼,相当于减少30万吨矿石开采和10万吨二氧化碳排放。全球多国通过政策鼓励回收:欧盟将钼列为关键原材料,要求成员国提高回收率;中国《“十四五”循环经济发展规划》明确支持稀有金属再生利用。企业若通过ISO 14001认证或采用清洁生产技术(如废酸循环利用),还可获得税收优惠,进一步强化环保与经济的双赢。
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钼
钼是一种过渡金属元素,为人体及动植物的微量元素。元素符号Mo,钼单质为银灰难熔金属,硬而坚韧。在元素周期表中属ⅥB族,原子序数42,原子量95.94,面心立方晶体,常见化合价为+6、+5、+4。
在中世纪就使用辉钼矿(MoS2),因其外观很像石墨,被误认为是变态的石墨而用来制作铅笔芯。1778年瑞典化学家舍勒(C.W.Scheele)用硝酸分解辉钼矿,从中发现了一种新元素,以希腊文molybdos(似铅)命名。1782年瑞典化学家耶尔姆(P.J.Hjelm)首次制得金属钼。
资源
钼矿分布虽广,但只有少数矿床有开采价值。美国是钼矿的国家,产量占世界总产量的60%以上,其次是智利和加拿大。中国的钼矿产于东北、西北和中南等地区。具有工业价值的钼矿物为辉钼矿,其开采量占钼矿总开采量的90%。辉钼矿容易浮选,可由含钼0.06~0.3%的原矿选得含钼47~50%的精矿。钼的次生矿钼钨钙矿[Ca(Mo,W)O4]、铁钼华(Fe2O3·MoO3·H2O)、钼铅矿 (PbMoO4)和钼铜矿[2CuMoO4·Cu(OH)2]等也有一定开采价值。主要钼矿生产国(中国除外)的钼矿储量和产量(1979年,以钼计)如下:
性质和用途
常温下钼在空气中很稳定,高于600℃时很快地氧化生成三氧化钼(MoO3)。钼与氢不发生化学反应,但钼粉能吸收氢。在温度高于700℃时,水蒸气能将钼氧化成二氧化钼(MoO2)。钼与碳、碳氢化合物或一氧化碳在高于800℃下反应生成碳化钼(Mo2C)。钼能耐稀硫酸、氢氟酸、磷酸等酸腐蚀,但不耐硝酸、王水和氧化性熔盐的腐蚀。钼在常温下能耐碱,但在加热时则被碱腐蚀。
钼主要用于钢铁工业,其中的大部分是以工业氧化钼压块后直接用于炼钢或铸铁,少部分熔炼成钼铁后再用于炼钢。低合金钢中的钼含量不大于1%,但这方面的消费却占钼总消费量的50%左右。不锈钢中加入钼,能改善钢的耐腐蚀性。在铸铁中加入钼,能提高铁的强度和耐磨性能。含钼18%的镍基超合金具有熔点高、密度低和热胀系数小等特性,用于制造航空和航天的各种高温部件。金属钼在电子管、晶体管和整流器等电子器件方面得到广泛应用。氧化钼和钼酸盐是化学和石油工业中的优良催化剂。二硫化钼是一种重要的润滑剂,用于航天和机械工业部门。钼是植物所的微量元素之一,在农业上用作微量元素化肥。
冶炼
钼生产的主要原料为辉钼精矿。提取过程包括氧化焙烧,三氧化钼、钼粉和致密钼的制取等主要步骤,工艺流程见图。
钼(Molybdenum),化学符号Mo,原子序数为42,是一种过渡金属元素,为人体及动植物的微量元素。钼单质为银白金属,硬而坚韧。人体各种组织都含钼,在人体内总量约为9mg,肝、肾中含量高。
1782年,瑞典的埃尔姆,用亚麻子油调过的木炭和钼酸混合物密闭灼烧,而得到钼。
1953年确知钼为人体及动植物的微量元素。
主要矿物是辉钼矿(MoS2)。
天然辉钼矿MoS2是一种软的黑矿物,外型和石墨相似。18世纪末以前,欧洲市场上两者都以“molybdenite”名称出售。1779年,舍勒指出石墨与molybdenite(辉钼矿)是两种不同的物质。他发现硝酸对石墨没有影响,而与辉钼矿反应,获得一种白垩状的白粉末,将它与碱溶液共同煮沸,结晶析出一种盐。他认为这种白粉末是一种金属氧化物,用木炭混合后强热,没有获得金属,但与硫共热后却得到原来的辉钼矿。
1782年,瑞典一家矿场主埃尔姆从辉钼矿中分离出金属钼,命名为molybdenum,元素符号定为Mo。汉语译成钼。它得到贝齐里乌斯等人的承认。
钼位于门捷列夫周期表第5周期、第VIB族,为一过渡金属元素,钼原子序数42,原子量95.95,原子中电子排布为:1s22s22p63s23p64s23d104p64d55s1。由于价电子层轨道呈半充满状态,钼介于亲石元素(8电子离子构型)和亲铜元素(18电子离子构型)之间,表现典型过渡状态。戈尔德施密特在元素的地球化学分类里将它称亲铁元素。自然界里,钼有七个稳定的天然同位素,它们的核子数及其在天然混合物中所占比例如表所列。
同位数名称 92Mo 94Mo 95Mo 96Mo 97Mo 98Mo 100Mo ∑
各占比例(%)原子量 15.84 9.04 15.72 16.53 9.46 23.78 9.63 100
91.9063 93.9047 94.9058 95.9046 96.9058 97.9055 99.9076 95.95
另据文献记载,已发现第八种天然同位素的存在。此外,还发现钼有十一种人造放射性同位素,因资料数据不详,此不赘述。
钼为银白金属,钼原子半径为0.14nm,原子体积为235.5px/mol,配位数为8,晶体为Az型体心立方晶系,空间群为Oh9,至今还没发现它有异构转变。常温下钼的晶格参数在0.31467~0.31475nm之间,随杂质含量而变化。钼熔点很高,在自然界单质中名列第六,被称作难熔金属。钼的密度为10.23g/cm3,约为钨的一半(钨密度19.36g/cm3)。钼的热膨胀系数很低;钼的热传导率较高。钼电阻率较低:0℃时为5.17×10-10Ω·cm;800℃时为24.6×10-10Ω·cm;2400℃时为72×10-10Ω·cm。钼属顺磁体,钼的比热在25℃时为242.8J/(kg·K)。钼的硬度较大,摩氏硬度为5~5.5。钼在沸点的蒸发热为594kJ/mol;熔化热为27.6±2.9kJ/mol;在25℃时的升华热为659kJ/mol。
物质 碳(C) 钨(W) 铼(Re) 锇(Os) 钽(Ta) 钼(Mo)
熔点(℃) 3650~3697 3410 3180 3045 2996 2622
沸点(℃) 4827 5660 5627 5027±100 5425±100 5560
钼的原子半径、离子半径与钨、铼的很接近。
原子半径(nm) 4离子半径(nm) 6离子半径(nm)
钼 0.139 0.068 0.065
钨 0.14 0.068 0.065
铼 0.138 0.068 0.065
钼原子的电子排列体现了典型过渡元素的性质:次外层的五个4d轨道、外层的一个5s轨道上电子均呈半弃满状态。钼原子外层电子电离电位为:
外层电子(个) 1 2 3 4 5 6 7 8
电离电位(eV) 7.2 15.17 27 46.53 55.6 71.7 132.7 153.2
钼要丢掉七个或八个电子是困难的。这决定了钼的化学性质比较稳定。常温或在不太高的温度下,钼在空气或水里是稳定的。钼在空气中加热,颜开始由白()转暗灰;温升至520℃,钼开始被缓慢氧化,生成Mo2O3;温升至600℃以上,钼迅速被氧化成MoO3。钼在水蒸气中加热至700~800℃便开始生成MoO2,将它进一步加热,二氧化钼被继续氧化成三氧化钼。钼在纯氧中可自燃,生成三氧化钼。钼的氧化物已见于报道的很多,但不少是反应中间产物,而不是热力学稳定相态。的只有九种,其结构与转化温度如表。
氧化物 生成温度范围(℃) 结晶结构
MoO2 菱形
Mo4O11 单斜系
Mo4O11 615~800 正斜形
Mo17O47 560
Mo5O14 530
Mo8O23 650~780
Mo18O52 600~750 三斜系
Mo9O26 750~780 单斜系
MoO3 菱形
另外,在生成MoO2前还有三种中间产物Mo2O3,MoO和Mo3O,但都还未能制造出它们的纯产物。
钼的这一系列氧化物中,除高价态的MoO3为酸性外,其余氧化物均为碱性氧化物。钼重要的氧化物是MoO3和MoO2。
MoO2分子量为127.94。纯MoO2呈暗灰、深褐粉末状。25℃时,MoO2的生成热为550kJ/mol,密度为6.34~6.47g/cm3。MoO2呈金红石单斜结晶构造,单位晶体(晶胞)由两个MoO2分子组成,晶格参数为a=0.5608nm,b=0.4842nm,c=0.5517nm,d=11.975nm。MoO2可溶于水,易溶于盐酸及硝酸,但不溶于氨水等碱液里。在空气、水蒸气或氧气中继续加热MoO2,它将被进一步氧化,直至生成MoO3。在真空中加热到1520~1720℃,固态MoO2部升华而不分解出氧,但大部分MoO2分解成MoO3气体和固态Mo。Jette.E.R(1935年)报道:MoO2在1980℃±50℃、0.1MPa(惰性气体)的条件下分解成钼和氧。MoO2是钼氧化的产物。
MoO3为淡绿或淡青的白粉末。分子量为143.94。25℃时,MoO3的生成热为668kJ/mol,密度为4.692g/cm3,熔点为795℃,沸点为1155℃.在低于熔点的温度已开始升华.在520~720℃时,升华呈气体的三氧化相为MoxO3x分子混合物,其中x=3~5,以x=3为主。MoO3微溶于水而生成钼酸。18℃,MoO3溶解度为1.066%,70℃时为2.05%。溶于水的三氧化钼与水按不同比例组成一系列同多酸,nMoO3·mH2O,其中n≥m。这一系列同多酸中比较重要的有:钼酸H2MoO4(n=m=1),仲钼酸H6Mo7O24,(n=7,m=3),四钼钼酸H2Mo4O13(n=4,m=1)。这些同多酸可看作两个或多个同种简单含氧酸分子缩水而成。比如7H2MoO4←→H6Mo7O24 4H2O。X分析发现,Mo7O24的结构由七个MoO6正八面体相连而成。MoO3易溶于氨水、碱金属碱液中,生成与同多酸对应的盐。MoO3在碱性介质(pH>10)中往往呈MoO4存在,而在酸性介质中,它往往以Mo7O24(pH≤6~8)或Mo8O24(pH=1.5~2.9)形式存在。作为钼的重要化工产品——工业钼酸铵,也正是这一系列同多酸的铵盐混合物。
室温下,钼能与F2反应。250℃钼开始与Cl2反应,700~800℃钼可与Cl2反应生成MoCl2。在白热温度下,钼能与Br2反应。钼与卤素反应产物可以是MoX6(如MoF6),亦可是MoO2X2(如MoO2Cl2)或者是MoOX4(如MoOCl4)或者是MoX。600℃以上,钼在N2中开始脆化。1500℃以上钼才开始与N2反应,2400℃以上钼与N2反应生成氮化物。但是,直至熔解(2622℃±10℃),钼都不能与H2反应。因而,工业上通常用H2还原MoO3以生产金属钼粉。反应过程可能是:450~500℃时,MoO3经H2还原,经生成Mo5O14、Mo17O47、Mo4O11等中间氧化态后生成MoO2;1000~1100℃时,H2进一步将MoO2还原成金属钼粉。钼在CO2中加热,可以被氧化为MoO3;而反应产物MoO3与CO又可反应,再度还原成Mo:Mo 3CO2←→MoO3 3CO。钼粉或氧化钼在CO或者CH4、H2混合物中共同加热可以生成碳化钼。600℃时生成物为Mo2C,它性脆、密度为8.9g/cm3,熔点为2380℃;而800℃时的生成物为MoC,它的密度为8.4g/cm3。
钼在常温下不与HF、HCI、稀HNO3、稀H2SO4及碱溶液反应。钼只溶于浓HNO3、王水或热而浓的H2SO4、煮沸的HCI中。
钼的生物属性也很重要,它不仅是植物也是动物必不可少的微量元素。钼是植物体内固氮菌中钼黄素蛋白酶的主要成份之一;也是植物硝酸还原酶的主要成份之一;还能激发磷酸酶活性,促进作物内糖和淀粉的合成与输送;有利于作物早熟。钼是七种重要微量营养元素之一。钼还是动物体内肝、肠中黄嘌呤氧化酶、醛类氧化酶的基本成份之一,也是亚硫酸肝素氧化酶的基本成份。研究表明,钼还有明显防龋作用,钼对尿结石的形成有强烈抑制作用,人体缺钼易患肾结石。一个体重70kg的健康人,体内含钼9mg。对于人类,钼是第二、第三类过渡元素中已知唯一对人必不可少的元素,与同类过渡元素相比,钼的毒性低,甚至可认为基本。当然,过量的食入也会加速人体动脉壁中弹性物质——缩醛磷脂——氧化。所以,土壤含钼过高的地区,癌症发病率较低但痛风病、全身性动脉硬化的发病率较高。而食入含钼过量的饲草的动物,尤其长角动物易患胃病。
膳食及饮水中的钼化合物,易被吸收。经口摄入的可溶性钼酸铵约88%-93%可被吸收。膳食中的各种含硫化合物对钼的吸收有相当强的阻抑作用,硫化钼口服后只能吸收5%左右。钼酸盐被吸收后仍以钼酸根的形式与血液中的巨球蛋白结合,并与红细胞有松散的结合。血液中的钼大部分被肝、肾摄取。
在肝脏中的钼酸根一部分转化为含钼酶,其余部分与蝶呤结合形成含钼的辅基储存在肝脏中。身体主要以钼酸盐形式通过肾脏排泄钼,膳食钼摄入增多时肾脏排泄钼也随之增多。因此,人体主要是通过肾脏排泄而不是通过控制吸收来保持体内钼平衡。此外也有一定数量的钼随胆汁排泄。
钼作为3种钼金属酶的辅基而发挥其生理功能。钼酶催化一些底物的羟化反应。黄嘌呤氧化酶催化次黄嘌呤转化为黄嘌呤,然后转化成尿酸。醛氧化酶催化各种嘧啶、嘌呤、蝶啶及有关化合物的氧化和。亚硫酸盐氧化酶催化亚硫酸盐向硫酸盐的转化。有研究者还发现,在体外实验中,钼酸盐可保护肾上腺皮质激素受体,使之保留活性。据此推测,它在体内可能也有类似作用。有人推测,钼酸盐之所以能够影响糖皮质激素受体,是因为它与一种称为“调节素”的内源性化合物相似。
2000年中国营养学会根据国外资料,制订了中国居民膳食钼参考摄入量,适宜摄入量为60μg/d;高可耐受摄入量为350μg/d。
我国钼矿分布就大区来看,中南占全国钼储量的35.7%,居首位。其次是东北19.5%、西北14.9%、华东13.9%、华北12%,而西南仅占4%。就各省(区)来看,河南储量多,占全国钼矿总储量的29.9%,其次陕西占13.6%,吉林占13%。另外储量较多的省(区)还有:山东占6.7%、河北占6.6%、江西占4%、辽宁占3.7%、内蒙古占3.6%。以上8个省(区)合计储量占全国钼矿总保有储量的81.1%,其中前三位的河南、陕西、吉林三省就占56.5%。下表展示出了我国主要的钼矿床及其开发利用情况。
中国钼矿主要产地一览表
编号 矿床 位置 规模 品位(Mo%) 利用情况
1 五道岭钼矿 黑龙江省阿城区 中型 0.167 未采
2 大黑山钼矿 吉林省永吉县 大型 0.066 已采
3 杨家杖子钼矿 辽宁省葫芦岛市 大型 0.141 已采
4 兰家沟钼矿 辽宁省葫芦岛市 大型 0.141 已采
5 撒岱沟门钼矿 河北省丰宁县 大型 0.076 未采
6 野弧钼矿 河北省涞水县 中型 0.087 未采
7 大科庄钼矿 北京市延庆县 中型 0.1 未采
8 后峪钼矿 山西省繁峙县 中型 0.061 未采
9 尚家庄钼矿 山东省栖霞县 中型 0.053 未采
10 金堆城钼矿 陕西省华县 大型 0.099 已采
11 黄龙铺钼矿 陕西省洛南县 大型 0.083 未采
12 上房沟钼矿 河南省栾川县 大型 0.14 已采
13 雷门沟钼矿 河南省嵩县 大型 0.073 未采
14 石坪川钼矿25号脉 浙江省青田县 中型 0.19 已采
15 赤路钼矿 福建省福安县 中型 0.07 已采
16 翠宏山铁多金属矿 黑龙江省逊克县 中型 0.122 未采
17 多宝山铜钼矿 黑龙江省嫩江县 中型 0.016 未采
18 肖家营子钼矿 辽宁省喀喇沁左翼蒙古族自治县 中型 0.225 已采
19 小寺沟铜钼矿 河北省平泉县 中型 0.086 已采
20 大湾锌钼矿 河北省涞源县 大型 0.117 未采
21 邢家山钼矿 山东省烟台市 大型 0.08 未采
22 三道庄钼矿 河南省栾川县 大型 0.115 已采
23 南泥湖钼矿 河南省栾川县 大型 0.076 未采
24 夜长坪钼矿 河南省卢氏县 大型 0.133 未采
25 下桐岭钨钼铋矿 江西省分宜县 中型 0.054 已采
26 德行铜厂矿 江西省德兴市 大型 0.011 已采
27 富家钨铜矿 江西省 大型 0.033 已采
28 宝山铅锌银矿 湖南省桂阳县 中型 0.146 已采
29 黄沙坪铅锌矿 湖南省桂阳县 中型 0.042 未采
30 柿竹园钨锡钼铋矿 湖南省郴县 中型 0.064 已采
31 大浒镍钼矿 湖南省慈利县 中型 0.595 未采
32 天门山矿区大坪 湖南省大庸县 中型 0.346 已采
33 玉龙铜钼矿 西藏自治区江达县 大型 0.028 未采
34 行洛坑钨钼矿 福建省清流县 中型 0.024 已采
35 马厂阱铜钼矿 云南省祥云县 中型 0.08 未采
36 大宝山钼矿 广东省曲江区 中型 0.076 未采
37 白石嶂钼钨矿 广东省五华县 中型 0.116 停采
钼与钨一样是一种难熔稀有金属。自1778年瑞典科学家C.W.SCHEELE发现钼元素之后,经过十余年努力M.MOISSAN才用电炉制得金属钼,使人类次得到这种具有许多优良物理化学和机械性能的金属。钼的熔点为2620℃,由于原子间结合力强,所以在常温和高温下强度都很高。它的膨胀系数小,导电率大,导热性能好。在常温下不与盐酸、氢氟酸及碱溶液反应,仅溶于硝酸、王水或浓硫酸之中,对大多数液态金属、非金属熔渣和熔融玻璃亦相当稳定。因此,钼及其合金在冶金、农业、电气、化工、和宇航等重要部门有着广泛的应用和良好的前景,成为国民经济中一种重要的原料和不可替代的战略物质。钼在地球上的蕴藏量较少,其含量仅占地壳重量的0.001%,钼矿总储量约为1500万吨,主要分布在美国、中国、智利、俄罗斯、加拿大等国。我国已探明的钼金属储量为172万吨,基础储量为343万吨,仅次于美国而居世界第二位。钼矿集中分布在陕西、河南、吉林和辽宁等四省。世界上金属储量在50万吨以上的特大型钼矿共有六个,我国的河南栾川、吉林大黑山和陕西金堆城三大钼矿榜上有名。的钼资源,为我国发展钼的冶炼和加工,大力推广钼的应用,提供了为有利的条件和坚实的基础。近年来,我国钼的开采、冶炼和加工得到了迅速的发展。据资料介绍,2001年我国实际生产钼精矿72000吨,氧化钼33000吨,钼铁7600吨,各类钼酸铵9500吨,钼条1183吨,钼板坯1200吨,钼板材150吨,钼圆片40余吨,钼顶头及其他异型制品约50吨,电光源行业及机械加工钼丝31.5亿米,还有润滑剂、催化剂、颜料等化工产品数百吨。不仅如此,我国在世界钼市场中占有举足轻重的,据海关统计,2001年我国出口钼矿焙砂、钼酸盐、钼铁及其他钼制品70274吨之多,创汇达2.62亿美元。钼的消费形式以工业三氧化钼为主,约占70%,钼铁约占20%,金属钼和钼化学制品各占5%。其应用领域和分配比例大概如下:钢铁冶炼消费约占80%(其中合金钢约为43%,不锈钢约为23%,工具钢和高速钢约8%,铸铁和轧辊约为6%),化工产品约占10%,金属钼制品消费约占6%,高温高强度合金和合金约占3%,其他钼制品约为1%。由上可见钢铁工业的发展对钼的消费起着决定性的作用,但随着科学技术的发展,钼在高科技和其他领域的应用将会不断地扩大和发展。
钢铁工业:根据世界各国钼消费统计,钼在钢铁工业中的应用仍然占据着主要的位置。钼作为钢的合金化元素,可以提高钢的强度,是高温强度和韧性;提高钢在酸碱溶液和液态金属中的抗蚀性;提高钢的耐磨性和改善淬透性、焊接性和耐热性。钼是一种良好的形成碳化物的元素,在炼钢的过程中不氧化,可单独使用也可与其他合金元素共同使用。钢的耗钼量在有规律地增长,每吨钢的钼消耗量已达到0.201公斤的水平。
钼与铬、镍、锰和硅等可制造不同类型的不锈钢、工具钢、高速钢和合金钢等。所制成的不锈钢有良好的耐腐蚀性能,可用于石油开采的耐腐蚀钢管,一种加钼约6%的不锈钢还可取代钛用于海水淡化装置、
远洋船舶、海上石油及天然气开采管道。这类不锈钢还可以用于汽车外壳、污水处理设备等。含钼工具钢的效率是钨工具的两倍,性能优良,成本低廉且重量较轻。钼系列高速钢具有碳化物不均匀性、耐磨、韧性好、高温塑性强等优点,适用于制造成型刀具。含钼合金钢可用于制造机床结构部件,工业车辆和推土设备。在轧制状态下有微细珠光体组织的含钼合金钢,是铁轨和桥梁建设中的重要钢材。
钼作为铁的合金添加剂,有助于形成珠光体的基体,能改善铸铁的强度和韧性,提高大型铸件组织的均匀性,还可以提高热处理铸件的可淬性。含钼灰口铸铁具有很好的耐磨性,可作重型车辆的闸轮和刹车片等。
农用肥料:钼是植物体内的“微量元素”之一,约占植物干物量的0.5ppm左右,是不可缺少和不可替代的。近年来国内外广泛地采用钼酸铵作为微量元素肥料,能显著地提高豆类植物、牧草及其他作物的质量和产量。这主要是钼能促进根瘤菌和其他固氮生物对空气中氮的固定,并将氮元素进一步转化成植物所需的蛋白质。钼也能促进植物对磷的吸收和在植物体内发挥其作用。钼还能加快植物体内醣类的形成与转化,提高植物叶绿素的含量与稳定性,提高维生素丙的含量。不仅如此,钼还能提高植物的抗旱抗寒能力以及抗病性。
施用钼肥的特点是用量少,收效大,成本低,是提高农业收成是使大豆丰收的一项重要措施。钼在农业上的广泛应用,也为我国钼生产工厂的废水、废渣及低品位矿的综合利用,开辟了一条新的途径。电子电气钼有良好的导电和高温性能,是与玻璃的热膨胀系数其相近,广泛地用于制造灯泡中螺旋灯丝的芯线、引出线、挂钩、支架、边杆及其他部件,在电子管中做栅和阳支撑材料。在超大型集成电路中钼用作金属氧化物半导体栅,把集成电路安装在钼上可以消除“双金属效应”。超薄型无缝钼管(约15μm)可用作高清晰度电视机显象管的阳支架,这种电视机的图象扫描线达1125条,比一般的电视机提高2倍。钼圆片还可作功率晶体管隔热屏和硅整流器的基板和散热片。
在现代电子工业中除使用纯钼外,Mo-Re合金可作电子管和特种灯泡的结构材料,Mo-50Re和TZM合金还可作高功率微波管和毫米波管中的热离子阴结构元件,其工作温度可达到1200℃,电流密度可达10安培/厘米2。作为引出线的的纯钼丝再结晶温度低,在高温下易出现脆化,影响使用寿命,近年来,有人研制出添加Si、k和C等元素,以提高再结晶温度,生产出“高温钼丝”。采取在氧化钼生产过程中添加稀土元素钇、铈、镧等,更能有效地提高再结晶温度,克服材料高温脆化问题。含0.1-0.3%锆、0.1%钪的钼丝,在1200℃氮化处理,使钪弥散到整个合金中去,这种钼丝在20℃时抗拉强度可达到1400百万帕斯卡。
模具工业的迅速发展,使电火花加工技术得到普遍的应用,钼丝是理想的电火花线切割机床用电丝,可切割各种钢材和硬质合金,加工形状其复杂的零件,其放电加工稳定,能有效地提高模具的精度。以上是钼丝两种为广泛的用途,灯泡制造业的发展和模具制造业的崛起突飞猛进。据中国照明协会统计,2001年全国生产钼丝达到31.5亿米,实际产量估计达到40亿米,消耗将近800吨钼条,其数量十分可观。其中线切割用钼丝产量超过20亿米,占钼丝总量的一半以上,其市场发展前景十分令人乐观。
钨-铜假合金广泛应用电火花切削工具电,然而近年来研究以钼取代钨作电,结果表明,钨基和钼基电随铜(≤50%重量)的含量而变的耐蚀性是不一样的。在加热脉冲和机械负荷脉冲存在时,这种耐腐蚀性主要取决于脆裂过程,钼的延-脆性转变温度较钨低,所以脆性小,耐蚀性能较强。钼-铜、钼-银假合金具有耐烧蚀性和良好的导电性,可以作为空气开关、高压开关和接触器的触点。钼-铜复合薄膜在连续的铜机体上夹带大量的离散钼粒子,显微组织均匀,有良好的穿厚导热性和导电性,可作金属芯子应用于多层电路板中。
近,还研制出可变的三氧化钼,这种材料在强光照射下会改变颜,且可轻易还原,可用于电子计算机光存储元件及多次使用的复印材料。
汽车喷涂:钼的熔点高达2620℃,且有良好的高温性能和耐腐蚀性能,钼与钢铁结合力强,因而是汽车部件生产中主要的热喷涂材料。汽车部件一般采用钼丝高速火焰喷涂,喷枪的气体混合喷射装置产生高温燃气燃烧,设计的燃烧室和气体喷射混合室,使钼丝在熔化前,以高的速度喷涂在工件的表面上,喷射钼的致密度可达99%以上,结合强度接近10公斤/mm2。这一工艺过程能有效地改善受磨面的耐磨性,也提供了一个可以浸渍润滑油的多孔表面。它广泛地应用于汽车工业以提高活塞环、同步环、拨叉和其他受磨部件的性能,也用于修复磨损的曲轴、轧辊、轴杆和其他机械部件。据资料介绍喷涂钼丝欧洲市场年销售量可达1000吨,美国每年消耗量也达600吨左右,日本每年也消耗钼丝30-40吨,我国喷涂钼丝市场容量尚小于每年30吨。但随着我国汽车工业的发展,汽车齿轮和其它部件的热喷涂将有较大发展,喷涂钼丝的销售量将大幅度增长。
高温元件:钼的纯度高、耐高温、蒸汽压低等特性,使之常常被用来制造高温炉的发热体和结构材料。在钨钼及硬质合金生产过程中,大都采用钼丝加热的方式制作还原炉和烧结炉,部份铁制品连续烧结还采用钼杆加热排作发热体,钼杆加热排以钼钩悬挂于炉子的两侧。这类炉子一般为还原性气氛或非氧化性气氛,在氢气和分解氨中钼丝可使用至接近熔点,氮气中可使用至2000℃。高于1700℃使用时,可采用再结晶温度更高、强度的TZM合金或钼镧合金作发热体。钼在熔化的石英中有很好的抗烧蚀性能,在玻璃工业中用作通电熔融电,每生产一吨玻璃钼电仅损失7.8克,使用寿命可长达一年多。除作电外,钼还用作玻璃熔化高温结构材料,如导槽、管子、坩埚、流口以及稀土冶炼的搅拌棒。以钼代铂在玻璃纤维拉丝炉上使用效果良好,大大降低了生产成本。新近研制出的核燃料烧结炉采用钼网加热,用ф0.8mm钼丝编织成三相网状加热器,工作温度可达1800-2000℃。除此之外,钼及其合金还可以作热等静压的炉架、隔热屏、烧结和蒸涂的料舟、SmCo磁体及二氧化铀烧结的垫板,热电偶及其保护套管等。
膳食中的钼很易被吸收。但硫酸根(SO42-)因可与钼形成硫酸钼(molybdenum sulfate)而影响钼的吸收。同时硫酸根还可抑制肾小管对钼的重吸收,使其从肾脏排泄增加。因此体内含硫氨基酸的增加可促进尿中钼的排泄。钼除主要从尿中排泄外,尚可有小部分随胆汁排出。
钼缺乏主要见于遗传性钼代谢缺陷,尚有报道全肠道外营养时发生钼不足者。钼不足可表现为生长发育迟缓甚至死亡,尿中尿酸、黄嘌呤、次黄嘌呤排泄增加。
过量的钼对人体生命健康危害大。它能够使体内能量代谢过程出现障碍,心肌缺氧而灶性坏死,易发肾结石和尿道结石,增大缺铁性贫血患病几率,引发龋齿。
人和动物机体对钼均有较强的内稳定机制,经口摄入钼化物不易引起中毒。据报告,生活在亚美尼亚地区的居民每日钼摄入量高达10~15mg;当地痛风病发病率高,被认为与此有关。钼冶炼厂的工人也可因吸入含钼粉尘而摄入过多的钼。据调查,这些工人的血清钼水平、黄嘌呤氧化酶活性、血及尿中的尿酸水平均显著高于一般人群。
钼在地壳中的平均丰度为1.3ppm,多存在于辉钼矿、钼铅矿、水钼铁矿中。矿物燃料中也含钼。天然水体中钼浓度很低,海水中钼的平均浓度为14微克/升。钼在大气中主要以钼酸盐和氧化钼状态存在,浓度很低,钼化物通常低于1微克/米。
环境中的钼有两个来源:
①风化作用使钼从岩石中释放出来。估计每年有1000吨进入水体和土壤,并在环境中迁移。钼分布的不均匀性,造成某些地区缺钼而出现“水土病”;又造成某些地区含钼偏高而出现“痛风病”(如亚美尼亚)。
②人类活动中愈来愈广泛地应用钼以及燃烧含钼矿物燃料(如煤),因而加大了钼在环境中的循环量。全世界钼产量每年为10万吨,燃烧排入环境的钼每年为800吨。人类活动加入的循环量超过天然循环量。用钼多的是冶金、电子、导弹和航天、原子能、化学等工业以及农业。对钼污染的研究还很不够。
钼在环境中的迁移同环境中的氧化和还原条件、酸碱度以及其他介质的影响有关。水和土壤的氧化性愈高,碱性愈大,钼愈易形成MoO离子;植物能吸收这种状态的钼。环境的酸性增大或还原性增高,钼易转变成复合离子,形成MoO;这种状态的钼易被粘土和土壤胶体及腐植酸固定而失去活性,不能为植物吸收。在海洋中,深海的还原环境使钼被有机物质吸附后包裹于含锰的胶体中,形成结核沉于海底,脱离生物圈的循环。
钼对温血动物和鱼类的影响较小。高含量钼对植物有不良影响,试验表明:钼浓度为0.5~100毫克/升时会对亚麻生长产生不同程度的影响;10~20毫克/升时对大豆生长有危害;25~35毫克/升时对棉花生长有轻度危害;40毫克/升时对糖用甜菜生长有危害。水体中钼浓度达到5毫克/升时,水体的生物自净作用会受到抑制;10毫克/升时,这种作用受到更大抑制,水有强烈涩味;100毫克/升时,水体微生物生长减慢,水有苦味。中国规定地面水中钼高容许浓度为0.5毫克/升,车间空气中可溶性钼高容许浓度为4毫克/立方米;,不溶性钼为6毫克/立方米。
健康危害
侵入途径:吸入、食入。
健康危害:对眼睛、皮肤有刺激作用。部分接触者出现尘肺病变,有自觉呼吸困难、全身疲倦、头晕、胸痛、咳嗽等。
毒理学资料及环境行为
急性毒性:LD50:6.1mg/kg(大鼠经口)
危险特性:其粉体遇高热、明火能燃烧甚至爆炸。与氧化剂能发生强烈反应。
燃烧(分解)产物:氧化钼。
现场应急监测方法
便携式比计(水质)
实验室监测方法
硫氰酸盐比法
火焰原子吸收法
原子吸收法
环境标准
中国(TJ36-79):车间空气中有害物质的高容许浓度4mg/m3(可溶性化合物),6mg/m3(不溶性化合物)
中国(GB/T14848-93):地下水质量标准(mg/L)Ⅰ类0.001;Ⅱ类0.01;Ⅲ类0.1;Ⅳ类0.5;Ⅴ类>0.5
中国:饮用水源水中有害物质的高容许浓度0.07mg/L
应急处理处置方法
1、泄漏应急处理
隔离泄漏污染区,周围设警告标志,切断火源。建议应急处理人员戴自给式呼吸器,穿化学防护服。使用不产生火花的工具小心扫起,避免扬尘,运至废物处理场所。用水刷洗泄漏污染区,经稀释的洗水放入废水系统。如大量泄漏,收集回收或无害处理后废弃。
2、防护措施
呼吸系统防护:作业工人佩戴防毒口罩。必要时佩戴自给式呼吸器。
眼睛防护:戴化学防护眼镜。
防护服:穿防静电工作服。
手防护:戴防化学品手套。
其他:工作现场禁止吸烟、进食和饮水。工作后,淋浴更衣。注意个人清洁卫生。
3、急救措施
皮肤接触:用肥皂水及清水彻底冲洗。就医。
眼睛接触:拉开眼睑,用流动清水冲洗15分钟。就医。
吸入:脱离现场至空气新鲜处。就医。
食入:误服者饮适量温水,催吐。就医。
灭火方法:干粉。
钼主要用于钢铁工业,其中的大部分是以工业氧化钼压块后直接用于炼钢或铸铁,少部分熔炼成钼铁后再用于炼钢。低合金钢中的钼含量不大于1%,但这方面的消费却占钼总消费量的50%左右。不锈钢中加入钼,能改善钢的耐腐蚀性。在铸铁中加入钼,能提高铁的强度和耐磨性能。含钼18%的镍基超合金具有熔点高、密度低和热胀系数小等特性,用于制造航空和航天的各种耐高温部件。金属钼在电子管、晶体管和整流器等电子器件方面得到广泛应用。氧化钼和钼酸盐是化学和石油工业中的优良催化剂。二硫化钼是一种重要的润滑剂,用于航天和机械工业部门。除此之外,二硫化钼因其的抗硫性质,可以在一定条件下催化一氧化碳加氢制取醇类物质,是很有前景的C1化学催化剂。钼是植物所的微量元素之一,在农业上用作微量元素化肥。
钼在电子行业有可能取代石墨烯。
美国加州纳米技术研究院(简称CNSI)成功使用MoS2(辉钼,二硫化钼)制造出了辉钼基柔性微处理芯片,这个MoS2为基础的微芯片只有同等硅基芯片的20%大小,功耗低,辉钼制成的晶体管在待机情况下的功耗为硅晶体管的十万分之一,而且比同等尺寸的石墨烯电路更加廉价。而大的变化是其电路有很强的柔性,薄,可以附着在人体皮肤。
2011年瑞士联邦理工学院洛桑分校(EPFL)科学家制造出个辉钼矿微晶片(上面有更小且更的电晶体)。辉钼是未来取代硅基芯片竞争者。领导研究的安德拉斯·基什教授表示,辉钼是良好的下一代半导体材料,在制造超小型晶体管、发光二管和太阳能电池方面具有很广阔的前景。
同硅和石墨烯相比,辉钼的优势之一是体积更小,辉钼单分子层是二维的,而硅是一种三维材料。在一张0.65纳米厚的辉钼薄膜上,电子运动和在两纳米厚的硅薄膜上一样容易,辉钼矿是可以被加工到只有3个原子厚的!
辉钼所具有的机械特性也使得它受到关注,有可能成为一种用于弹性电子装置(例如弹性薄层晶片)中的材料。可以用在制造可卷曲的电脑或是能够贴在皮肤上的装置。甚至可以植入人体。
英国《自然·纳米技术》杂志就指出:单层的辉钼材料显示出良好的半导体特性,有些性能超过广泛使用的硅和研究热门石墨烯,可望成为下一代半导体材料。
纯钼丝用于高温电炉和电火花加工还有线切割加工;钼片用来制造无线电器材和X射线器材;钼耐高温烧蚀,主要用于火炮内膛、火箭喷口、电灯泡钨丝支架的制造。合金钢中加钼可以提高弹性限、抗腐蚀性能以及保持永久磁性等,钼是植物生长和发育中所需七种微量营养元素中的一种,没有它,植物就无法生存。动物和鱼类与植物一样,同样需要钼。
钼在其它合金领域及化工领域的应用也不断扩大。例如,二硫化钼润滑剂广泛用于各类机械的润滑,钼金属逐步应用于核电、新能源等领域。由于钼的重要性,各国政府视其为战略性金属,钼在二十世纪初被大量应用于制造装备,现代高、精、尖装备对材料的要求更高,如钼和钨、铬、钒的合金用于制造军舰、火箭、卫星的合金构件和零部件。
钼在薄膜太阳能及其他镀膜行业中,作为不同膜面的衬底也被广泛应用。
钼酸铵(Ammonium Molybdate)
作用与应用:钼为多种酶的组成部分,钼的缺乏会导致龋齿、肾结石、克山病、大骨节病、食道癌等疾病。主要用于长期依赖静脉高营养的患者。
钼在机体的主要功能是参与硫、铁、铜之间的相互反应。钼是黄嘌呤氧化酶、醛氧化酶和亚硫酸氧化酶发挥生物活力的因子,对机体氧化还原过程中的电子传递、嘌呤物质与含硫氨基酸的代谢具有一定的影响。在这三种酶中,钼以喋呤由来性辅助因子的形式存在。钼还能抑制小肠对铁、铜的吸收,其机制可能是钼可竞争性抑制小肠粘膜刷状缘上的受体,或形成不易被吸收的铜-钼复合物、硫-钼复合物或硫钼酸铜(Cu-MoS)并使之不能与血浆铜蓝蛋白等含铜蛋白结合。
用法用量:口服,每日需用量0.1~0.15mg。
儿童每日需用量0.03~0.1mg。
【副作用】:过量的钼可引起不良反应。
【注意事项】:每日摄取量超过0.54mg,钼可增加铜从尿中排出。超过10~15mg时,则可出现痛风综合症。
在奶牛饲料中的应用量:10mg/d
以钼为基体加入其他元素而构成的有合金。主要合金元素有钛、锆、铪、钨及稀土元素。钛、锆、铪元素不仅对钼合金起固溶强化作用,保持合金的低温塑性,而且还能形成稳定的、弥散分布的碳化物相,提高合金的强度和再结晶温度。钼合金有良好的导热、导电性和低的膨胀系数,在高温下(1100~1650℃)有高的强度,比钨容易加工。可用作电子管的栅和阳,电光源的支撑材料,以及用于制作压铸和挤压模具,航天器的零部件等。由于钼合金有低温脆性和焊接脆性,且高温易氧化,因此其发展受到限制。工业生产的钼合金有钼钛锆系、钼钨系和钼稀土系合金,应用较多的是类。钼合金的主要强化途径是固溶强化、沉淀强化和加工硬化。通过塑性加工可制得钼合金板材、带材、箔材、管材、棒材、线材和型材,还能提高其强度和改善低温塑性。
钼是钢与合金中的重要元素,常用的含钼炉料有金属钼、钼铁,有时还可以使用氧化钼精矿来直接还原冶炼含钼钢种。钼在地壳中的自然储量为1900万吨,可开采储量860万吨。
钼-99是钼的放射性同位素之一,在医院里用于制备锝-99。锝-99是一种放射性同位素,病人服用后可用于内脏器官造影。用于该种用途的钼-99通常用氧化铝粉吸收后存储在相对较小的容器中,当钼-99衰变时生成锝-99,在需要时可把锝-99从容器中取出发给病人。
三氧化钼(MoO3)又称钼酐,分子量143.94。白透明斜方晶体,微带淡绿彩,加热时转为黄,冷却后恢复原来颜。密度4.692g/cm3,熔点795℃,沸点1155℃,易升华。不溶于水,可熔于氨水和强碱溶液,生成钼酸盐。溶于强酸、生成二氧钼根(MoO22+)和氧钼根(MoO4+)络合阳离子,与酸根可形成可溶性络合物。氧化性弱,在高温下可被氢、碳、铝还原。与磷酸反应可生成磷钼酸。
在空气中很稳定,通入干燥氯化氢,加热升华成淡黄针状结晶。与卤素化合物如五氟化溴、三氟化氯发生剧烈反应。受高热分解,放出有毒的烟气。三氧化钼可用作分析试剂,制取金属钼及钼合金和钼盐的原料;石油工业中用作催化剂;用于搪瓷釉颜料及物等。在空气中灼烧钼或二硫化钼或者焙烧钼酸制得。
三氧化钼是钼(VI)的氧化物,分子式为MoO3,是制取其它钼化合物的主要原料。它主要用作制取金属钼,以及催化很多有机反应,比如丙烯氨氧化制取丙烯腈。 三氧化钼是由金属原子Mo在中心、氧原子在角边的[MoO6]八面体为基本结构单元,共角、形成链连接,每两个相似的链共边连接形成层状的MoO3化学计量结构,层与层之间靠范德华力作用而交错堆积排列。
三氧化钼具有层状结构和框架很重要,其中存在着广延的通道,可用作离子的流通渠道和嵌入位置。开放的三氧化钼晶体结构和它的水化物都是H+,Li+及其他离子的良好离子注入主体。这一优良特性使其在信息显示与储存、催化剂、传感器等领域具有广阔应用前景。三氧化钼具有电致变、抑烟-阻燃、催化降解以及气敏特性等。
三氧化钼和钼酸盐有毒,金属钼和二硫化钼毒性较弱。钼中毒引起足痛风,尿酸形成增高,出现关节病和多关节痛。低血压,血压不稳定,神经系统功能紊乱,代谢过程障碍。钼的可溶性化合物,其气溶胶的大容许浓度为2 mg/m3,粉尘为4mg/m3,钼的不溶性化合物为6 mg/m3。工作时要戴防毒口罩,穿防尘工作服。加工矿石和制备金属钼的粉末时,要粉尘泄露。要将起尘的设备加以密封,掩盖,并注意通风。 无或黄白粉末,斜方晶系结晶。 微溶于水,溶于酸、碱和氨水溶液。 用作五氧化二磷、三氧化二砷、双氧水、酚和醇类的还原剂,也用于钼盐、钼合金的制造 用作制取金属钼及钼化合物的原料。石油工业中用作催化剂。还可用于搪瓷釉颜料及物等。 冶金工业用作粉末冶金原料、制作各种钼金属材料,化工工业中用作各种钼化合物的钼源添加剂、钼系催化剂的原料。 在机械零件中用作固体润滑的底膜 生化研究 比法测定血糖、蛋白质、酚、砷、铅、铋等。生物碱检验。石油工业催化剂。钼盐、钼合金的制造。五氧化二磷、三氧化二砷、双氧水、酚和醇类的还原剂。 高纯三氧化钼用于还原钼粉,裂变催化剂、加氢催化剂、颜料、陶瓷和玻璃的生产。
钼酸铵热分解法将辉钼精矿粉碎至60~80目,放入焙烧炉中于500~550℃氧化焙烧,用氨水浸出,得钼酸铵溶液除去杂质后,加热至40~45℃,在搅拌下加入硝酸中和至Ph=1.5,生成八钼酸铵沉淀,经过滤,离心脱水后,溶于70~80℃的氨水中,再蒸发浓缩,得到仲钼酸铵,然后在550~600℃下进行热分解,得三氧化钼成品。其
(NH4)2MoO4+14HNO3→(NH4)2O·8MoO3·4H2O↓+14NH4NO3+3H2O
7[(NH4)2O·8MoO3·4H2O]+2NH3·H2O+3H2O→8[(NH4)2O·7MoO3·4H2O]↓
3(NH4)2O·7MoO3·4H20→7MoO3+6NH3↑+7H2O
与钼酸钠一样,钼酸锌也是过渡金属钼的一种盐,其因有良好的物理化学性质,而广泛应用于生活的每一个角落,如涂料、建筑、化工、医等领域。
从定义上来看,钼酸锌又称氧化钼锌,是由锌离子和钼酸根离子共同组成的化合物,英文为Molybdenum zinc oxide,化学式为ZnMoO4,分子量为225.3。
从结构上来看,白钨矿晶体结构的ZnMoO4,Mo6+位于氧四面体中心,形成Mo042—,Zn有八个近邻氧配体,形成一个畸变的立方体;钨锰铁矿结构的ZnMoO4,MoO42—是呈现扭曲的配位八面体。
从理化性质来看,ZnMoO4的外观为白或浅黄粉末,密度约4.3g/cm³,折射率约1.56,具有难溶于水,易溶于酸,能与碱性氧化物发生反应,,无放射,耐高温,耐光性,较强的遮盖力和着能力等特点。
从生产工艺来看,ZnMoO4的具体制备步骤如下:先将钼酸盐和锌盐分别溶于水中,然后将钼酸盐溶液逐滴加入锌盐溶液中,加完后的混合溶液再转移到高压釜中进行反应,等待反应结束后取出来冷却至室温,洗涤,干燥即可得到产物。