（本文发表于2019年第3期）
第一作者简介赵芝，博士，高级工程师，从事稀土地质研究工作。
地壳由几十种化学元素组成，其中只有十几种是比较常见的，大部分较为少见。这些少见的元素中，有一些可以大量聚集在一起形成矿石，但是想要把它们一一分离却很难，如稀土家族的兄弟（镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钇和钪）。当然也有一些含量很低而且很难富集成矿的元素，想要把分散在矿物中的这些微量元素提取出来也很困难，如稀散家族的镓、锗、硒、镉、铟、碲、铼、铊和钪。
近些年来，科学家们越来越关注这些特殊元素。因为它们已成为新材料中不可替代的原材料。钪作为稀土家族中最分散的元素，被称为21世纪重要的“绿色能源科技金属”“关键性”或“战略性”矿产资源——激光武器、航空航天器上的关键材料、绿色固体燃料电池、光亮无比的钪钠灯、治疗肿瘤的医学器件、石油化工的催化剂等，都离不开钪。然而，2016年全球范围钪的实际产量不超过1吨，也就是说平均每7千余人才能分到1克钪。因此，钪比稀散元素还要稀缺，比稀土元素还要难得，比黄金还要昂贵。
那么，钪到底是何种金属？它又发挥何种“超能力”？我们又如何获取它呢？
贵族金属
> 钪金属
（图片来源：http://www.hnosc.com/）
钪（Sc），原子序数21，位于元素周期表中第四周期第Ⅲ副族，与钇、镧系元素同属稀土家族，但又有其成矿之特殊性，往往与其他稀土元素不共同成矿，而与钛、钒、铁等组合在一起。我国科学家对钪的深入研究始于四川的攀枝花铁矿。钪不仅在地壳中含量低（其中上地壳中仅为 7×10-6 ，相当于每一吨地壳物质里面含7克钪），而且自然界中形成钪独立矿物的概率极低，仅为0.4%。目前的调查结果显示，这些稀少的独立矿物主要分布在欧洲的少数几个国家和非洲的马达加斯加，且没有实际的工业价值。1879年，瑞典化学家尼尔森首先在欧洲斯堪的纳维亚半岛的硅铍钇矿和黑稀金矿中发现了钪。通常，钪分散在含有其它元素的众多矿物里，如同盐或糖溶解在水里一样，肉眼是无法直接发现钪的存在的。因此，想要获得纯金属钪十分困难。从钪的发现到首次成功提取，人类花费了整整半个世纪的时间。
纯金属钪为银白微带黄色，呈金属光泽，相当柔软，置于空气中很容易与氧气、二氧化碳、水相化合，因此要填充氩气密封保存。市场上更常见的则是呈白色土状且不溶于水的氧化钪。钪具备众多优越的物理性质，例如，比之铁、镍、稀土镧、铈、镨及钕等还要高的熔点（1541℃），仅次于元素铼（5627℃）、钼（5560℃）和钴（2870℃）的高沸点（2832℃）。同时，钪作为稀土家族中最轻的成员，密度很低，还有延展性好、催化性能优异等特点，是材料界中的多面手与高能者。
贵比黄金
国际市场上交易的钪产品主要是金属钪和氧化钪，纯度越高价格也就越贵。2017年，99.99%纯度的氧化钪价格为4600美元/千克，蒸馏金属钪的价格高达226000美元/千克，是黄金价格（44445美元/千克）的5倍。但钪产品的价格波动较大，1990年至2006年一路下跌。以蒸馏金属钪为例，1993年的价格高达372000美元/千克，至2005年仅为162500美元/千克，降了一半。2006年之后其价格又有所回升。
在稀土家族中，钪的价格远远高于其他轻稀土元素，甚至高于稀缺的重稀土元素铽和镝。以稀土价格暴涨的2011年为例，国内氧化钪（99%）的价格（26000元/千克）比其他稀土氧化物当年价格最高的氧化铕（12000元/千克）和氧化铽（10200元/千克）高出1倍多。
画龙点睛
> 世界上第一辆3D打印摩托车——光明骑士
（图片来源：APWorks）
钪的应用被人们广泛关注也只是近30年来的事情。因为稀少且名贵，钪及其化合物在工业应用方面具画龙点睛之用。作为优化铝及铝合金性能最有效的元素，只需添加微量的钪（0.07%~0.35%）就能明显提高合金的强度、韧性、抗腐蚀性和焊接性能。铝钪合金被认为是新一代轻质结构材料，在航空、航天、舰船的焊接荷重结构件以及碱性腐蚀介质环境用的管材、铁路油罐、轻型汽车、高速列车关键结构部件等具有广泛应用。俄罗斯在钪铝合金研发方面遥遥领先，最先用于“米格-29型”战斗机及导弹的导向尾翼。其后是美国，其战斗机和航天器结构中也可见铝-镁-钪合金的身影。当下时髦的3D打印技术中，新型高强度铝-镁-钪合金材料大显身手，它比大多数3D打印用的铝硅粉材料更加坚固。2015年空客公司的子公司APWorks用此材料打印出世界上第一款3D打印摩托车，命名为光明骑士，其重量仅35千克，比一般电动摩托车轻30%。当然，除了这些高大上的用途外，钪铝合金制作的运动器材，如曲棍球球杆手柄、棒球棒、垒球棒，以及山地自行车、高级跑车等在美国等发达国家已较为常见。
土能生“金”
> 湖南汝城益将含钪的“红土”
为了让钪的发挥更加出色，科学家们一方面要提高钪的回收率，另一方面要寻找相对富钪的地质体。近年来，澳大利亚、印度尼西亚、菲律宾、古巴和多米尼加等国发现了富钪的“红土”（肉眼看上去呈红色的土状），这类红土中钪的含量可达100×10-6~500×10-6，其中澳大利亚的红土钪含量最高。富钪的红土是由地表的基性或超基性岩石经过漫长的风化作用形成。红土带的厚度达10~20米，钪富集在离地表0~6米之下的红土带中，容易开采。据报道，钪的回收率较高，具有较大的开采价值。对于微量、分散的钪来说，这样的富集需要花费很长的时间和很复杂的工艺才能完成。澳大利亚预计2019—2020年开采Syerston-Flemington，Nyngan，Sconi和Owendale矿床，每个矿床设计年产氧化钪可达几十吨。预计在2019年开采的还有菲律宾巴拉望岛（设计年产氧化钪7.5吨）和巴布亚新几内亚瑞木红土矿（设计年产氧化钪20吨）。无疑，红土中钪资源的开采将会使钪的产量取得巨大突破。我国在20世纪80年代就已发现这种相对富钪的红土产地——湖南汝城县益将乡，它被认为是中国找到的第一个大型独立钪矿床。灰黑色的岩石（石英闪长岩）在南方温暖潮湿的气候下，经长期的化学风化作用形成厚2~30米的红土风化壳。钪就富集在红土中，但钪的浸出率仅为10%左右，由于回收率太低等原因一直未利用。
自然界中大部分钪分散在铝土矿中。在生产氧化铝的过程中，98%的钪转移到废渣中。这种废渣也呈红色的泥土状，因此被称为赤泥。通常每生产1吨氧化铝就要排出1~2吨赤泥，堆放赤泥不仅占用土地，而且污染环境。我国铝土矿分布广泛，氧化铝产能位居全球第四。以2017年为例，我国氧化铝产量达6902万吨，以每吨赤泥中含100~200克钪计算，仅2017年堆放的赤泥中，氧化钪就达7000~14000吨。我国虽然已对赤泥中钪的提取进行了实验研究，但仍未工业化生产。目前，俄罗斯已开始从赤泥中提取钪。未来，钪提取技术的进步可将赤泥变废为宝。
后起之秀
> 湖南桂东县四都钪矿
为什么说钪是21世纪的绿色能源科技金属呢？因为钪的用途越来越大。
20世纪60年代以前，钪在工业上几乎没有应用。20世纪80年代初，世界钪的消费只有40余千克，1985年增长到100千克。近几年全球钪的贸易量在10~15吨左右。随着红土中钪资源的开采及赤泥中钪的回收，其产量将会大幅增长，并推动钪产品的广泛应用和研发。
20世纪80年代以来，我国钪的回收技术发展迅速。特别是80年代末期，氧化钪产量迅速上升，但当时国内钪的应用处于研究试验阶段，对氧化钪的需求量很小。近些年我国在钪的应用方面取得了一系列进展，如我国研发的铝-镁-钪合金用于新一代载人航天器密封舱的主结构材料中；用钪-锑-碲合金材料制造出的新型存储器——相变随机存储器（PCRAM），这类存取器可提高70倍的写入速度，对我国自主开发存储器芯片、保障信息存储安全具有重要意义。20世纪90年代初，我国还是全球市场上氧化钪初级产品的主要供应商。不久的将来，具有中国自主知识产权的高性能铝钪合金材料将用在我国航空、航天、兵器、舰船领域，助力我国新兴产业的快速发展。同时钪也会以不同的形式（野营的帐篷支架、轻型家用汽车、家用固体燃料电池等）走进寻常百姓家。
作者： 赵 芝 王登红 张国华 陈 垚
编辑： 王依卓
排版： 何陈临秋
审核： 刁淑娟
官网： http://kpwhbjb.cgl.org.cn/CN
热门跟贴