【揭秘云南省重点实验室】“金”益求精 做最好的“现代工业维他命”

发布时间:2019年06月03日 14:15:00  来源:云南网

      金,延展性最好;银,导电性最好;铂,化学稳定性强;钯,吸附性强;铑,制作加氢催化剂;铱,制作耐腐蚀化学仪器;锇,密度最大的金属;钌,耐腐蚀性强。

      金、银、铂、钯、铑、铱、锇、钌八个元素,在自然界中属于极度稀缺的金属,被称为“贵金属”。

     贵金属因其性能的独特性和资源的稀缺性,被世界称作“战略储备金属”,也被誉为“现代工业的维他命”,广泛应用于航天、航空、航海、电子、化工、新能源、信息技术、汽车、环保、生物医药等各个领域。

     公元前4000年至19世纪,黄金、白银只是作为财富和权利的象征;随着工业和科技的发展,贵金属逐步成为现代工业和先进技术不可替代的“第一高技术金属”。

    “‘贵金属’由于原子结构的特殊性,表现出优异的物理化学性质,成为在工业领域中作用独特、使用价值高、不可取代的一类特殊金属。”稀贵金属综合利用新技术国家重点实验室副主任胡昌义说,研究和发展贵金属新材料产业具有时代意义和价值。

     稀贵金属综合利用新技术国家重点实验依托单位为贵研铂业股份有限公司,贵研铂业起源于“铂族摇篮”——昆明贵金属研究所,传承了昆明贵金属研究所80载贵金属材料研究和技术开发的沉淀。2008年,实验室成为省级重点实验室,2010年通过验收,在此基础上获批准建设为“国字号”实验室。实验室围绕我国高新技术产业发展及国家安全保障的需要,一直走在“金”益求精的贵金属材料研究和技术开发的道路上。

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国家重点实验室 视频截图

       5月,记者来到这个被誉为“铂族摇篮”之地的实验室,在经过严格的安检后,踏入“贵金属”研究基地,揭开“贵金属”研发的奥秘。
研发一种技术
从电子废弃物中提炼回收“贵金属”

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实验室 视频截图

       贵金属是人类应用历史最长的金属之一。除金、银以外的六种元素统称为铂族元素,主要分布在南非、俄罗斯、美国和加拿大。

       中国是铂族金属资源极其稀缺的国家,目前,全球已探明铂族金属储量7.1万吨,仅占世界储量的0.46%。

    “我国每年铂族金属需求量为100多吨,而目前铂族储存开发量仅几吨左右。”胡昌义说,我国铂族金属的缺口非常大,同时为打破国外贵金属材料和技术的封锁,必须要另辟蹊径才能解决困境。

       铂族储存量是固定无法改变的,如何破局?“回收二次贵金属资源。”胡昌义解释说,没有充足的一次贵金属资源,只能通过回收汽车尾气净化器、石油催化剂、药物催化剂、电子产品等含有二次贵金属资源的产品“归巢”,将贵金属提炼出来实现资源再生,增加我国贵金属储存量。“把这些原本已经变成废料的产品进行二次有效回收清洁提炼,然后将贵金属再加工,形成产业循环。”

      “但二次金属资源产品种类多,成分复杂,回收提取难度大。”胡昌义说,实验室攻克难关创新开展铂族金属二次资源高效回收清洁冶金技术。自七八十年代,实验室就开始小规模研究回收冶金技术。90年代左右,随着大批量的废料产品的产生和产业化需求,实验室重点攻克二次资源高效回收清洁冶金技术。

       实验室冶金技术研究起步于1960年,自1964年首次从一次矿山中提取出金、铂、钯,确定了“从硫化镍电解阳极泥中提取贵金属”的第一个流程开始,突破了10余项重大铂族金属提取工艺,为铂族金属资源开发提供了技术基础,也为我国铂族金属生产的历史填补了空白。

       2012年,实验室引进了离子熔炼炉系统,用于铁捕集法从失效汽车尾气催化剂中回收铂族金属,该项技术的应用填补了国内失效催化剂火法回收工艺的空白。

      “火法冶金技术熔炼最关键的就是捕集技术,用什么元素捕集,如何正确捕集。”胡昌义告诉记者,据国外报道现有铁捕集技术、铜捕集技术,但是具体工艺和参数并不清楚。对此,实验室第一时间组织重点攻关开展捕集技术研究。目前,铁捕集技术已成功研制并获得应用,而铜捕集技术还处于攻关研究。“铜捕集更具经济和环境优势,但是研发难度更大。”

       而今,实验室一直深耕铂族金属冶金技术的研究,从最初80%左右的回收率逐步提升为90%以上的回收率,部分产品可达98%的回收率。“尽可能压榨原材料里面的铂族金属,不断提升科研技术手段。”胡昌义说,目前,实验室建立了铂族金属高效清洁回收及再生利用的相关基础理论,成功解决了铂族金属快速溶解、短流程富集、分离和精炼关键技术问题。

       2010年,在云南省易门县建立我国规模最大、综合技术最先进的铂族金属二次资源高效回收冶金产业化示范基地,年处理3000余吨二次资源物料、回收8吨铂族金属,相当于一个中型矿山的产量。

研制一种材料
微米级误差锻造新型铂基高温合金喷管

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实验室 视频截图

       自2000年以来,贵金属工业进入高速发展阶段,近一半的贵金属用于新材料制造,成为新材料里不可替代的重要元素。

    “航空航天领域是铂族金属的一个主要应用领域,比如航天发动机用铂基合金喷管。”胡昌义解释说,航天卫星等出现轨道偏离或姿势偏离的情况,就需要通过启动这些小的姿态控制发动机,使其回到指定方向和位置。

       胡昌义说,上世纪90年代以来,国际上航天发达国家开始将铂基高温合金大量应用于航天空间推进发动机技术领域。但出于技术保密的需要,国外文献并未报道其所应用的铂基合金的具体成分“配方”。

     “航天发动机的工作工作温度高,使用环境具有很强的氧化腐蚀作用,对使用的喷管材料的高温力学性能和抗氧化性能提出了很高的综合技术要求”。胡昌义说,铂基合金材料必须自主研制,否则永远受制于人。

    “贵金属存在成本高的问题,所以实验室利用计算机进行第一步的模拟计算。”胡昌义解释说,通过计算机模拟计算方法设计优化合金成分,再进行实际试验,既节约了贵金属实验成本,也缩短了研制周期。实验室成功突破铂基合金配方关键技术,研制出的铂基合金具有优异的高温力学性能和高温抗氧化性等,可以满足应用要求。

     “配方”找到了,但是如何生产出来成为摆在实验室面前的又一难关。“喷管的加工精度要求非常高,误差控制要在0.01毫米,达到了微米级,比头发丝还要细得多。实验室是一个研究机构,并不擅长加工。”胡昌义说,为了解决精密加工技术难题,实验室通过引进高级加工方面的人才和精密加工设备,逐步突破了喷管的微米级高精度加工关键技术。

      经历多轮次的反复试验和技术攻关,经过6年多研制,实验室终于取得合金成分配方、材料制备、喷管精密加工和应用等关键技术的重大突破,成功研发了航天用铂基合金新材料。目前该材料已通过客户审核,预计将于2020年试飞。

和科学家聊一聊

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胡昌义 视频截图

    “以前都说十年磨一剑,现在要五年磨一剑。”胡昌义说,稀贵金属的研究要不断更新配方技术、不断更新迭代更好的产品。

     自中南大学毕业后就被分配到昆明贵金属研究所的胡昌义,这一呆就是34年。“我一直用我们老所长的一句话不断激励自己:祖国的需要就是我的选择。”胡昌义感慨道。

     正是这一份对国家的忠心让胡昌义一直走在稀贵金属研制研发的道路上。“我们不来做这个事情,谁来做这个事呢。”

     目前,胡昌义带领实验室开展新一代航天发动机用高耐热、强抗氧化新材料开发;高纯度、高密度靶材制备技术开发;微型化、集成化电子元器件用特种高性能电子浆料开发等高端制备用新型稀贵金属功能材料。

实验室名片

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稀贵金属陈列品 视频截图

       稀贵金属综合利用新技术国家重点实验室依托单位为贵研铂业股份有限公司,贵研铂业起源于“铂族摇篮”——昆明贵金属研究所。2008年,实验室成为云南省贵金属材料重点实验室, 2010年实验室建设为国家重点实验室,成为云南省建立的第一家企业国家重点实验室。

       实验室主要围绕稀贵金属资源高效回收清洁冶金技术、环保及化学合成用稀贵金属催化材料技术及高端制备用稀贵金属功能材料制备技术三个重点研究方向,开展贵金属材料领域的基础研究、应用基础研究及应用开发工作,为解决一批贵金属领域的重大基础科学和关键、共性技术问题。

       目前实验室拥有固定人员100人,包括在新材料、催化材料、冶金材料等领域拥有学科领域技术带头人14人,省市创新团队9个,其中省级创新团队7个。拥有稀贵金属冶金循环回收技术研究、稀贵金属催化技术及应用研究、稀贵金属新材料新技术及应用研究和稀贵金属分析检测评价四个科研平台。

       云南网记者 杨萍 龙彦 视频制作 段芃

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