氦气之所以稀缺,一方面是由于其用途非常广泛,另一方面是因为氦气无法通过人工制备获得,氦气在空气中的含量非常低,只有约0.000524%,从空气中提取氦气,成本可能比等体积的黄金还要贵,不具备工业提取价值。
氦气,英文名为Helium,化学元素符号为He,是种无色无味、不可燃的气体。充满氦气的气球之所以能飘在空中,是因为氦气是除了氢气以外密度最小的气体,其密度远小于空气,空气的密度为1.29千克/立方米,而氦气的密度为0.1786千克/立方米。此外,氦气也是一种惰性气体,其化学性质不活泼,通常状态下不与其他元素或化合物结合,几乎没有固态或者液态化合物形态,所以氦一般都是以单质气体存在,直到1908年7月10日,荷兰物理学家昂尼斯才首次液化了氦气。
氦气短缺,人们要面对的不仅仅是新年庆典、生日派对里缺少几个气球那么简单,作为开采天然气时产生的副产品,氦气广泛应用于军工、科研、石化、制冷、医疗、半导体、管道检漏、超导实验、金属制造、深海潜水、高精度焊接、光电子产品生产等。与人们生活息息相关的安全气囊、核磁共振都少不了这种气体。
在医疗领域,作为磁共振和核磁共振超导磁体的理想冷冻气体,氦气可实现零下268.9摄氏度的深冷温度,可有效获取内脏器官和组织的高分辨率图像;氦氖激光中的气体介质由氖气和高纯氦气组成,可以用来进行外科手术治疗弱视,也能用来活化血管进行保健。
在焊接与金属加工方面,由于化学性质不活泼,高纯氦气跟高纯氩气一起用作特殊焊接的保护气体。氦气在电弧温度条件下的惰性使其成为铝、不锈钢、铜和镁合金等高导热性材料焊接的理想气体,还可用作热处理过程中的淬火气体以及熔炉气体,提升零件耐性和质量。
在航空航天领域,超纯氦气在火箭、宇宙飞船中用作输送液氢、液氧等液体推进剂的加压气体。在航空航天和飞机制造业从制造到飞行的整个过程中,太空飞行作业使用氦气净化氢气系统,地面和飞行流体系统将其用作增压剂。除此之外,氦气还用作气象和其他观测气球的升力源。
在汽车及运输设备领域,氦气应用于散热器、换热器、空调组件、燃料箱和变矩器等重要汽车部件的测试,以确保其符合质量规范。此外,氦气还可与氩气配合使用,越来越多地被用于安全气囊的充气操作。
在电子制造领域,氦气在半导体、液晶面板和光纤线制造中起着重要作用,可实现零部件的快速冷却,从而提高生产率,还能控制热传递速率,以改善生产效率并减少缺陷。
除此之外,还有很多领域的科学研究离不开对氦气的使用。比如气相色谱必须有合适的气体作为载气才能正常工作,氦气具有渗透性好、不可燃的特点,可以作为载气应用于真空检漏;利用氦气化学性质不活泼的特性,科学家将其作为清洗气体应用于原子核反应堆的冷却、热交换,以及浓缩铀扩散元件在修理后的清洗,如果没有氦气的帮忙会影响反应堆的正常工作。