据《南华早报》和观察者网报道，三年多以来，中国航天员一直在“天宫”空间站开展一项看似普通、但实际上在地面却是“不可能完成”的实验——用激光照射悬浮在真空室中的合金颗粒，仔细观察这些颗粒，而后记录颗粒在冷却过程中发生的细微变化。利用在太空得出的实验数据，地球上的中国科学家现已首次成功制造出符合工业应用严格要求的铌合金，这一突破可能将彻底改变航空航天技术。

专家指出，如果能够借此研究成果大规模生产铌合金，那么中国将在军事和高端制造业领域占据巨大优势。

几乎与此同时，自然资源部中国地质调查局网站也发布消息称，中国攻克了铌资源高效利用关键核心技术，将盘活铌资源92.9万吨，实现庙垭超大型铌-稀土矿床经济利用，对保障国家战略性资源安全意义重大。这些进展，将一种名为“铌”（ní）的稀有金属推到了聚光灯下。

一、铌元素150年的探索发现之旅

铌（Niobium, Nb），元素周期表第41号元素，是一种灰白色、质地坚硬且延展性良好的过渡金属。

铌单质晶体

铌元素的发现前后经历了150多年，充满波折：

1801年：英国化学家查理斯•哈切特（Charles Hatchett）分析一块来自北美的黑色矿石，从中发现了一种新元素。为了纪念美洲大陆的发现者哥伦布（Columbus），他把新元素命名为Columbium，简称Cb。若干年后西学东渐，清末科学家把这种金属译作“钶”。

查理斯•哈切特像

1802年：瑞典化学家安德斯•古斯塔夫•埃克伯格（Anders Gustaf Ekeberg）从另一种矿石中分离出新元素，因其抗腐蚀能力特别强，借用希腊神话中饱受折磨的坦塔罗斯（Tantalus）之名，命名为“钽”（Tantalum, Ta）。

钶钽之争：在对比哈切特和埃克伯格的论文后，科学界发现钶和钽的性质有着惊人的相似性。随后的几十年，科学家们对钶和钽是否为同一元素争论不休，期间还出现了其他命名。

1844年：德国化学家海因里希·罗斯（Heinrich Rose）最终证实它们是两种不同元素。他将钶重新命名为“铌”（Niobium），名字来源于坦塔罗斯的女儿尼俄伯（Niobe），以体现两者性质相近的“血缘”关系。

铌金属

尘埃落定： 这场持续近半世纪的争议，最终在1949年由国际纯粹与应用化学会（IUPAC）裁决，元素周期表中第41号元素的正式名称为“铌”（Niobium），而“钶”（Columbium）作为旧称保留。

二、在太空做实验，在地面解难题

金属铌具有较低密度(8.57g/cm3) 、高熔点(2741 K) 、高塑性、抗腐蚀性能好及较低的蒸汽压等特性，而且铌合金具有高的高温（600～1600℃)比强度和良好的冷热加工性能，可以制作形状复杂的零件，是航天结构件的重要候选材料之一。可用来制造火箭发动机、天-地往返飞船、超高音速飞机、卫星、导弹以及核反应堆的关键部件，包括大推力航天发动机燃烧室的防护罩、燃烧室、小向量或姿态控制喷嘴以及轨控发动机的扩展防护罩等，是航空航天、国防军工及核能等领域不可或缺的关键金属，是重要的战略性资源。

研究人员认为，稀有金属铌可能是航空航天业革命的关键

例如，利用铌合金制成的涡扇发动机叶片能承受超过1700摄氏度的高温。与日常常用的镍或钛合金相比，这种材料更轻，且在高温下具有三倍的抗压强度。因此，使用这种材料制造的发动机可达到现有技术无法实现的速度和运行效率。

然而，铌合金存在两大主要缺陷，阻碍了其大规模生产：其高强度晶体的生长非常缓慢，需要近1600摄氏度下长达100小时才能完成，而且由此得到的样品在室温下极脆，无法满足发动机制造工厂的要求。

中国科学家将目光投向了独特的太空环境。自2021年起，中国科学院院士、西北工业大学教授魏炳波领导的团队获准在中国的“天宫”空间站开展实验。核心装置是空间站中的“无容器材料实验柜”。在地面环境下，要对铌金属两千多摄氏度的熔体开展物理特性的研究十分困难，连实验容器都很难找到。而中国空间站的无容器材料实验柜刚好能够提供无容器和微重力环境的绝佳实验条件。

2023年11月28日，中国载人航天工程首次对外发布由神舟十六号乘组返回地面前手持高清相机，通过飞船绕飞拍摄的空间站组合体全景照片。 新华社发（中国载人航天工程办公室供图）

魏炳波团队将包含铌硅合金在内的10余种数百个高性能难熔合金样品，分三批（随天舟三号、天舟四号、天舟五号货运飞船）送入空间站。在航天员的协助下，研究团队成功完成了材料在微重力条件下的加热、熔化、降温、过冷、凝固以及热物理性质测定等重要实验。

利用在空间站得出的实验数据，魏炳波团队创新性地开发了一种新的快速冷却方法，成功实现了高质量铌硅晶体近9厘米/秒的生产速度，远超传统方法。同时，通过添加微量的铪（Hf），使合金的室温强度提高了三倍多。最终，团队在地面成功制造出符合发动机制造厂要求的工业级铌合金。

三、资源如何应用？

据美国地质调查局（USGS）统计，截至2022年底，全球铌储量（以金属铌计算）超过1700万吨，其中，巴西的铌资源占全球总储量的90%以上。中国已探明铌资源储量约538万吨（以Nb₂O₅计），集中分布在内蒙古白云鄂博、湖北两竹地区、江西宜春、新疆拜城、陕西华阳川等地区。但与国外相比，我国的铌资源普遍矿石性质复杂，品位低，难利用。品位的差距使得我国铌矿的开采成本远高于进口，这也是我国近几年来大量依赖从巴西进口铌资源的原因。

我国铌钽资源分布图. 矿床编号对应的铌钽矿床(田)名称（图源：中科院地质地球所）

1.国内最大铌合金喷管试车成功  迎接朱雀火箭飞行

2024年，蓝箭航天在湖州热试中心成功完成了国内最大铌合金喷管的发动机试车考核，试后产品结构完好、表面涂层完好。发动机在额定工况与高工况下工作380s，铌合金喷管的结构可靠性、热防护可靠性、工艺可靠性通过考核。

TQ-15A发动机铌合金喷管产品实物

此铌合金喷管直径约1.6m，高度约1.3m，尺寸远大于国内现有同类型产品，配套国内目前推力最大的真空型液氧甲烷发动机天鹊15A（TQ-15A），真空推力836kN，真空比冲3320m/s。

TQ-15A发动机铌合金喷管试车前后状态

为进一步提升朱雀系列液氧甲烷火箭的运载能力，蓝箭航天突破限制、大胆创新，开创性地提出了钣金成型、激光拼焊的超大尺寸铌合金喷管的制造工艺路线，突破了国内现有的原材料及工艺技术瓶颈，所有关键技术均自主研发，开创了铌合金高精度钣金成型技术、大尺寸双曲率薄壁件高精度加工技术、大尺寸双曲率薄壁件高精度装配技术、铌合金空气环境激光焊接与防氧化技术、大尺寸铌合金产品涂层制备与烧结技术。另外，蓝箭航天发动机团队已开始研制面积比更大的铌合金喷管，出口直径将达到2.5m，持续提升火箭二级主发动机的真空比冲。

大尺寸铌合金喷管的研制成功，将赶超国外在此项技术上的领先地位，为提高中国航天进入空间的能力做出贡献。

2.2022年Sintavia公司开展铌合金3D打印技术研究 

美国Sintavia公司利用EOS公司的M290金属3D打印机制造出C103铌合金部件，并开发出该高温合金的专用3D打印参数。Sintavia公司开发铌合金3D打印机械性能参数包括：3D打印的密度为99.94%，标准应力消除周期后的Z向延伸率为32%。将有助于该合金材料的3D打印应用。目前，Sintavia公司正在为其他用于航空航天、太空和国防应用中的难熔材料制定专用标准。该公司表示，通过发布C103材料的参数规范，有望推动国防和太空应用中的全合金制造。

四、铌合金的前景展望

1. 新一代航空航天发动机：更高推重比、更高燃烧温度的发动机对高温结构材料提出更苛刻要求。更高强度、更高使用温度、更长寿命的铌基合金（包括通过弥散强化的高强度合金和轻量化的低密度合金）及其先进抗氧化涂层（如多层复合、添加改性元素的硅化物涂层，以及扩散阻挡层设计）是核心发展方向。蓝箭航天研发更大尺寸（出口直径2.5米）的铌合金喷管即是一例。

2. 深空探测与高超声速飞行器： 航天器热防护系统（TPS）、高超声速飞行器前缘和发动机热端部件需要能承受极端气动加热的材料，铌合金是候选材料之一。

3. 资源利用与回收： 今年年初宣布攻克的铌资源高效利用关键核心技术，铌资源高效利用关键核心技术，将推动低品位、复杂共生铌资源的高效、绿色提取和综合利用技术的发展，并加强铌的循环回收利用。

有专家表示，如果铌硅合金未来能够实现大规模生产，将使中国在军事和高端制造领域占据巨大优势，铌，这种稀有金属的传奇将继续被续写。随着全球科技界对铌的持续探索，“点铌成金”的魔法，必将在人类探索太空、追求能源革命和攀登科技高峰的征程中，绽放出更加璀璨的光芒。

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