解讀17種稀土不同作用,哪些跟激光有關

來源:直觀學機械    關鍵詞:稀土, 激光材料, 激光晶體,    發布時間:2019-06-04

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一個常用的比喻是,如果說石油是工業的血液,那稀土 就是工業的維生素。

稀土是一組金屬的簡稱,稀土元素(Rare Earth Elements,REE)從18世紀末葉開始陸續被發現,共有17種,包括化學元素周期表中的15種鑭系元素——鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、钷(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、镥(Lu),以及與鑭系元素密切相關的兩個元素鈧(Sc)和釔(Y),目前已被廣泛應用于電子、石化、冶金等眾多領域。幾乎每隔3-5年,科學家們就能夠發現稀土的新用途,每六項發明中,就有一項離不開稀土。

中國稀土礦藏豐富,雄踞著三個世界第一:資源儲量第一,占23%左右; 產量第一,占世界稀土商品量的80%至90%;銷售量第一,60%至70%的稀土產品出口到國外。同時,中國還是唯一一個能夠提供全部17種稀土金屬的國家,特別是軍事用途極其突出的中重稀土,中國占有的份額讓人艷羨。

稀土是寶貴的戰略資源,有“工業味精”“新材料之母”之稱,廣泛應用于尖端科技領域和軍工領域。據工業和信息化部介紹,目前稀土永磁、發光、儲氫、催化等功能材料已是先進裝備制造業、新能源、新興產業等高新技術產業不可缺少的原材料,還廣泛應用于電子、石油化工、治金、機械、新能源、輕工、環境保護、農業等。。

早在1983年,日本就出臺了稀有礦產戰略儲備制度,其國內83%的稀土來自中國。

再看美國,它的稀土儲量僅次于中國,但是他的稀土都是輕稀土,稀土分為重稀土和輕稀土,重稀土是很貴重的,輕稀土開采起來很不合算,被業內人士成為假稀土,美國稀土進口量的80%來自中國。

鄧小平同志曾說:“中東有石油,中國有稀土。”其話語的弦外之音不言而喻。稀土不但是世界上1/5高科技產品必備的“味精”,更是未來中國在世界談判桌上的一張強有力的底牌籌碼。保護并科學利用好稀土資源,不讓寶貴的稀土資源盲目賤賣出口西方國家,成為近年來諸多仁人志士呼吁的一項國家戰略。鄧小平在1992年就一語道明了中國稀土大國的地位。

17種稀土用途一覽

1 鑭用于合金材料和農用薄膜

2 鈰大量應用于汽車玻璃

3 鐠廣泛應用于陶瓷顏料

4 釹廣泛用于航空航天材料

5 钷為衛星提供輔助能量

6 釤應用于原子能反應堆

7 銪制造鏡片和液晶顯示屏

8 釓用于醫療核磁共振成像

9 鋱用于飛機機翼調節器

10 鉺軍事上用于激光測距儀

11 鏑用于電影、印刷等照明光源

12 鈥用于制作光通訊器件

13 銩用于臨床診斷和治療腫瘤

14 鐿電腦記憶元件添加劑

15 镥用于能源電池技術

16 釔制造電線和飛機受力構件

17 鈧常用于制造合金

詳細情況如下:

1、鑭(La)

在海灣戰爭中,加入稀土元素鑭的夜視儀成為美軍坦克壓倒性優勢的來源。上圖為氯化鑭粉末。(資料圖)


鑭的應用非常廣泛,如應用于壓電材料、電熱材料、熱電材料、磁阻材料、發光材料(蘭粉)、貯氫材料、光學玻璃、激光材料、各種合金材料等。鑭也應用到制備許多有機化工產品的催化劑中,光轉換農用薄膜也用到鑭,在國外,科學家把鑭對作物的作用賦與“超級鈣”的美稱。

2、鈰(Ce)

鈰可作催化劑、電弧電極、特種玻璃等。鈰的合金耐高熱,可以用來制造噴氣推進器零件。(資料圖)

(1)鈰作為玻璃添加劑,能吸收紫外線與紅外線,現已被大量應用于汽車玻璃。不僅能防紫外線,還可降低車內溫度,從而節約空調用電。從1997年起,日本汽車玻璃全加入氧化鈰,1996年用于汽車玻璃的氧化鈰至少有2000噸,美國約1000多噸。

(2)目前正將鈰應用到汽車尾氣凈化催化劑中,可有效防止大量汽車廢氣排到空氣中美國在這方面的消費量占稀土總消費量的三分之一。

(3)硫化鈰可以取代鉛、鎘等對環境和人類有害的金屬應用到顏料中,可對塑料著色,也可用于涂料、油墨和紙張等行業。目前領先的是法國羅納普朗克公司。

(4)Ce:LiSAF激光系統是美國研制出來的固體激光器,通過監測色氨酸濃度可用于探查生物武器,還可用于醫學。鈰應用領域非常廣泛,幾乎所有的稀土應用領域中都含有鈰。如拋光粉、儲氫材料、熱電材料、鈰鎢電極、陶瓷電容器、壓電陶瓷、鈰碳化硅磨料、燃料電池原料、汽油催化劑、某些永磁材料、各種合金鋼及有色金屬等。

3、鐠(Pr)

鐠釹合金(資料圖)

(1)鐠被廣泛應用于建筑陶瓷和日用陶瓷中,其與陶瓷釉混合制成色釉,也可單獨作釉下顏料,制成的顏料呈淡黃色,色調純正、淡雅。

(2)用于制造永磁體。選用廉價的鐠釹金屬代替純釹金屬制造永磁材料,其抗氧性能和機械性能明顯提高,可加工成各種形狀的磁體。廣泛應用于各類電子器件和馬達上。

(3)用于石油催化裂化。以鐠釹富集物的形式加入Y型沸石分子篩中制備石油裂化催化劑,可提高催化劑的活性、選擇性和穩定性。我國70年代開始投入工業使用,用量不斷增大。

(4)鐠還可用于磨料拋光。另外,鐠在光纖領域的用途也越來越廣。

4、釹(Nd)

為什么M1坦克能做到先敵發現?因為該坦克裝備的摻釹釔鋁石榴石的激光測距機,在晴朗的白天可以達到近4000米的觀瞄距離。(資料圖)

伴隨著鐠元素的誕生,釹元素也應運而生,釹元素的到來活躍了稀土領域,在稀土領域中扮演著重要角色,并且左右著稀土市場。

釹元素憑借其在稀土領域中的獨特地位,多年來成為市場關注的熱點。金屬釹的最大用戶是釹鐵硼永磁材料。釹鐵硼永磁體的問世,為稀土高科技領域注入了新的生機與活力。釹鐵硼磁體磁能積高,被稱作當代“永磁之王”,以其優異的性能廣泛用于電子、機械等行業。阿爾法磁譜儀的研制成功,標志著我國釹鐵硼磁體的各項磁性能已跨入世界一流水平。釹還應用于有色金屬材料。在鎂或鋁合金中添加1.5~2.5%釹,可提高合金的高溫性能、氣密性和耐腐蝕性,廣泛用作航空航天材料。另外,摻釹的釔鋁石榴石產生短波激光束,在工業上廣泛用于厚度在10mm以下薄型材料的焊接和切削。在醫療上,摻釹釔鋁石榴石激光器代替手術刀用于摘除手術或消毒創傷口。釹也用于玻璃和陶瓷材料的著色以及橡膠制品的添加劑。

5、钷(Pm)

钷為核反應堆生產的人造放射性元素(資料圖)

(1)可作熱源。為真空探測和人造衛星提供輔助能量。

(2)Pm147放出能量低的β射線,用于制造钷電池。作為導彈制導儀器及鐘表的電源。此種電池體積小,能連續使用數年之久。此外,钷還用于便攜式X-射線儀、制備熒光粉、度量厚度以及航標燈中。

6、釤(Sm)

金屬釤(資料圖)

釤呈淺黃色,是做釤鈷系永磁體的原料,釤鈷磁體是最早得到工業應用的稀土磁體。這種永磁體有SmCo5系和Sm2Co17系兩類。70年代前期發明了SmCo5系,后期發明了Sm2Co17系。現在是以后者的需求為主。釤鈷磁體所用的氧化釤的純度不需太高,從成本方面考慮,主要使用95%左右的產品。此外,氧化釤還用于陶瓷電容器和催化劑方面。另外,釤還具有核性質,可用作原子能反應堆的結構材料,屏敝材料和控制材料,使核裂變產生巨大的能量得以安全利用。

7、銪(Eu)

氧化銪粉末(資料圖)

氧化銪大部分用于熒光粉(資料圖)

1901年,德馬凱(Eugene-AntoleDemarcay)從“釤”中發現了新元素,取名為銪(Europium) 。這大概是根據歐洲(Europe)一詞命名的。氧化銪大部分用于熒光粉。Eu3+用于紅色熒光粉的激活劑,Eu2+用于藍色熒光粉。現在Y2O2S:Eu3+是發光效率、涂敷穩定性、回收成本等最好的熒光粉。再加上對提高發光效率和對比度等技術的改進,故正在被廣泛應用。近年氧化銪還用于新型X射線醫療診斷系統的受激發射熒光粉。氧化銪還可用于制造有色鏡片和光學濾光片,用于磁泡貯存器件,在原子反應堆的控制材料、屏敝材料和結構材料中也能一展身手。

8、釓(Gd)

釓及其同位素都是最有效的中子吸收劑,可用于核反應堆的抑制劑。(資料圖)

(1)其水溶性順磁絡合物在醫療上可提高人體的核磁共振(NMR)成像信號。

(2)其硫氧化物可用作特殊亮度的示波管和x射線熒光屏的基質柵網。

(3)在釓鎵石榴石中的釓對于磁泡記憶存儲器是理想的單基片。

(4)在無Camot循環限制時,可用作固態磁致冷介質。

(5)用作控制核電站的連鎖反應級別的抑制劑,以保證核反應的安全。

(6)用作釤鈷磁體的添加劑,以保證性能不隨溫度而變化。

9、鋱(Tb)

氧化鋱粉末(資料圖)

鋱的應用大多涉及高技術領域,是技術密集、知識密集型的尖端項目,又是具有顯著經濟效益的項目,有著誘人的發展前景。

(1)熒光粉用于三基色熒光粉中的綠粉的激活劑,如鋱激活的磷酸鹽基質、鋱激活的硅酸鹽基質、鋱激活的鈰鎂鋁酸鹽基質,在激發狀態下均發出綠色光。

(2)磁光貯存材料,近年來鋱系磁光材料已達到大量生產的規模,用Tb-Fe非晶態薄膜研制的磁光光盤,作計算機存儲元件,存儲能力提高10~15倍。

(3)磁光玻璃,含鋱的法拉第旋光玻璃是制造在激光技術中廣泛應用的旋轉器、隔離器和環形器的關鍵材料。特別是鋱鏑鐵磁致伸縮合金(TerFenol)的開發研制,更是開辟了鋱的新用途,Terfenol是70年代才發現的新型材料,該合金中有一半成份為鋱和鏑,有時加入鈥,其余為鐵,該合金由美國依阿華州阿姆斯實驗室首先研制,當Terfenol置于一個磁場中時,其尺寸的變化比一般磁性材料變化大這種變化可以使一些精密機械運動得以實現。鋱鏑鐵開始主要用于聲納,目前已廣泛應用于多種領域,從燃料噴射系統、液體閥門控制、微定位到機械致動器、機構和飛機太空望遠鏡的調節機翼調節器等領域。

10、鏑(Dy)

金屬鏑(資料圖)

(1)作為釹鐵硼系永磁體的添加劑使用,在這種磁體中添加2~3%左右的鏑,可提高其矯頑力,過去鏑的需求量不大,但隨著釹鐵硼磁體需求的增加,它成為必要的添加元素,品位必須在95~99.9%左右,需求也在迅速增加。

(2)鏑用作熒光粉激活劑,三價鏑是一種有前途的單發光中心三基色發光材料的激活離子,它主要由兩個發射帶組成,一為黃光發射,另一為藍光發射,摻鏑的發光材料可作為三基色熒光粉。

(3)鏑是制備大磁致伸縮合金鋱鏑鐵(Terfenol)合金的必要的金屬原料,能使一些機械運動的精密活動得以實現。(4)鏑金屬可用做磁光存貯材料,具有較高的記錄速度和讀數敏感度。

(5)用于鏑燈的制備,在鏑燈中采用的工作物質是碘化鏑,這種燈具有亮度大、顏色好、色溫高、體積小、電弧穩定等優點,已用于電影、印刷等照明光源。

(6)由于鏑元素具有中子俘獲截面積大的特性,在原子能工業中用來測定中子能譜或做中子吸收劑。

(7)Dy3Al5O12還可用作磁致冷用磁性工作物質。隨著科學技術的發展,鏑的應用領域將會不斷的拓展和延伸。

11、鈥(Ho)

鈥鐵合金(資料圖)

12、鉺(Er)

氧化鉺粉末(資料圖)

13、銩(Tm)

銩在核反應堆內輻照后產生一種能發射X射線的同位素,可制造輕便X光機射線源。(資料圖)

14、鐿(Yb)

金屬鐿(資料圖)

15、镥(Lu)

氧化镥粉末(資料圖)

硅酸釔镥晶體(資料圖)

(1)制造某些特殊合金。例如镥鋁合金可用于中子活化分析。

(2)穩定的镥核素在石油裂化、烷基化、氫化和聚合反應中起催化作用。

(3)釔鐵或釔鋁石榴石的添加元素,改善某些性能。

(4)磁泡貯存器的原料。

(5)一種復合功能晶體摻镥四硼酸鋁釔釹,屬于鹽溶液冷卻生長晶體的技術領域,實驗證明,摻镥NYAB晶體在光學均勻性和激光性能方面均優于NYAB晶體。

(6)經國外有關部門研究發現,镥在電致變色顯示和低維分子半導體中具有潛在的用途。此外,镥還用于能源電池技術以及熒光粉的激活劑等。

16、釔(Y)

金屬釔的用途很廣,釔鋁石榴石可用作激光材料,釔鐵石榴石用于微波技術及聲能換送,摻銪的釩酸釔及摻銪的氧化釔用作彩色電視機的熒光粉。(資料圖)

(1)鋼鐵及有色合金的添加劑。FeCr合金通常含0.5-4%釔,釔能夠增強這些不銹鋼的抗氧化性和延展性;MB26合金中添加適量的富釔混合稀土后,合金的綜合性能得到明顯的改善,可以替代部分中強鋁合金用于飛機的受力構件上;在Al-Zr合金中加入少量富釔稀土,可提高合金導電率;該合金已為國內大多數電線廠采用;在銅合金中加入釔,提高了導電性和機械強度。

(2)含釔6%和鋁2%的氮化硅陶瓷材料,可用來研制發動機部件。

(3)用功率400瓦的釹釔鋁石榴石激光束來對大型構件進行鉆孔、切削和焊接等機械加工。

(4)由Y-Al石榴石單晶片構成的電子顯微鏡熒光屏,熒光亮度高,對散射光的吸收低,抗高溫和抗機械磨損性能好。

(5)含釔達90%的高釔結構合金,可以應用于航空和其它要求低密度和高熔點的場合。

(6)目前倍受人們關注的摻釔SrZrO3高溫質子傳導材料,對燃料電池、電解池和要求氫溶解度高的氣敏元件的生產具有重要的意義。此外,釔還用于耐高溫噴涂材料、原子能反應堆燃料的稀釋劑、永磁材料添加劑以及電子工業中作吸氣劑等。

17、鈧(Sc)

金屬鈧(資料圖)

鈧比起釔和鑭系元素來,由于離子半徑特別小,氫氧化物的堿性也特別弱,因此,鈧和稀土元素混在一起時,用氨(或極稀的堿)處理,鈧將首先析出,故應用“分級沉淀”法可比較容易地把它從稀土元素中分離出來。另一種方法是利用硝酸鹽的分極分解進行分離,由于硝酸鈧最容易分解,從而達到分離的目的。

用電解的方法可制得金屬鈧,在煉鈧時將ScCl3、KCl、LiCl共熔,以熔融的鋅為陰極電解之,使鈧在鋅極上析出,然后將鋅蒸去可得金屬鈧。另外,在加工礦石生產鈾、釷和鑭系元素時易回收鈧。鎢、錫礦中綜合回收伴生的鈧也是鈧的重要來源之一。 鈧在化合物中主要呈3價態,在空氣中容易氧化成Sc2O3而失去金屬光澤變成暗灰色。

鈧的主要用途有:

(1)鈧能與熱水作用放出氫,也易溶于酸,是一種強還原劑。

(2)鈧的氧化物及氫氧化物只顯堿性,但其鹽灰幾乎不能水解。鈧的氯化物為白色結晶,易溶于水并能在空氣中潮解。 (3)在冶金工業中,鈧常用于制造合金(合金的添加劑),以改善合金的強度、硬度和耐熱和性能。如,在鐵水中加入少量的鈧,可顯著改善鑄鐵的性能,少量的鈧加入鋁中,可改善其強度和耐熱性。

(4)在電子工業中,鈧可用作各種半導體器件,如鈧的亞硫酸鹽在半導體中的應用已引起了國內外的注意,含鈧的鐵氧體在計算機磁芯中也頗有前途。

(5)在化學工業上,用鈧化合物作酒精脫氫及脫水劑,生產乙烯和用廢鹽酸生產氯時的高效催化劑。

(6)在玻璃工業中,可以制造含鈧的特種玻璃。

(7)在電光源工業中,含鈧和鈉制成的鈧鈉燈,具有效率高和光色正的優點。

(8)自然界中鈧均以45Sc形式存在,另外,鈧還有9種放射性同位素,即40~44Sc和46~49Sc。其中,46Sc作為示蹤劑,已在化工、冶金及海洋學等方面使用。在醫學上,國外還有人研究用46Sc來醫治癌癥。


本文資料來自金海洋重工、搜索百科,轉載自直觀學機械,原標題《17種稀土用途一覽》。文章發布時未聯系到原作者,若有版權問題請聯系[email protected]

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