稀土基本知識及用途介紹

稀土的基本知識及用途介紹一、基本知識稀土的英文是RareEarth,意即“稀少的土”。其實這不過是18世紀遺留給人們的誤會。1787年后人們相繼發(fā)現(xiàn)了若干種稀土元素，但相應的礦物發(fā)現(xiàn)卻很少。由于當時科學技術水平的限制，人們只能制得一些不純凈的、像土一樣的氧化物，故人們便給這組元素留下了這么一個別致有趣的名字。根據(jù)國際純粹與應用化學聯(lián)合會對稀土元素的定義，稀土類元素是門捷列夫元素周期表第三副族中原子序數(shù)從57至71的15個鑭系元素，即鑭（57）、鈰（58）、錯（59）、釹（60）、钷（61）、釤（62）、銪（63）、釓（64）、鋱（65）、鏑（66）、欽（67）、鉺（68）、銩（69）、鏡（70）、镥（71），再加上與其電子結構和化學性質相近的鈧（21）和釔（39），共計17個元素。除鈧與钷外，其余15個元素往往共生。根據(jù)稀土元素間物理化學性質和地球化學性質的某些差異和分離工藝的要求，學者們往往把稀土類元素分為輕、重兩組或者輕、中、重三組。兩組的分法以釓為界，釓以前的鑭、鏑、鈰、錯、釹、钷、釤、銪7個元素為輕稀土元素，亦稱鈰組稀土元素；釓及釓以后的鋱、鏑、欽、鉺、銩、鏡、镥和釔等9個元素稱為重稀土元素，亦稱釔組稀土元素。盡管釔的原子量僅為89,但由于其離子半徑在其它重稀土元素的離子半徑鏈環(huán)之中，其化學性質更接近重稀土元素。在自然界也與其它重稀土元素共生。故它被歸為重稀土組。輕中重三組稀土的分類法沒有一定之規(guī)，如按稀土硫酸復鹽溶解度大小可分為：難溶性鈰組即輕稀土組，包括鑭、鈰、錯、釹、釤；微溶性鋱組即中稀土組，包括銪、釓、鋱、鏑；較易溶性的釔組即重稀土組，包括釔、欽、鉺、銩、鏡、镥。然而各組之間相鄰元素間的溶解度差別很小，用這種方法是分不凈的。現(xiàn)在多用萃取法分組，例如用二（2）乙基已基（磷酸）即P204可在釹/釤間分組，然后再在札/鋱間分組等。這們，鑭、鈰、錯、釹稱為輕稀土，釤、銪、釓稱為中稀土，鋱、鏑、欽、鉺、銩、鏡、镥再加上釔稱為重稀土。稀土在地殼中的含量并不稀少，這組元素的克拉克值達0.0236%，其中鈰組元素為0.01592%,釔組元素為0.0077%；比常見元素銅（0.01%）,鋅（0.005%）,錫（0.004%）,鉛（0.0016%）,竦（0.008%）,鉆（0.003%）等都多。這組元素更不是土，而是一組典型的金屬元素，其活潑性僅次于堿金屬和堿土金屬。表1-1稀土元素在地殼中的豐度元素名稱地殼豐度，ppm元素名稱地殼豐度，ppmSc25Gd6.1Y31Tb1.2La35Dy4.5Ce66Ho1.3Pr9.1Er1.3Nd40Tm0.5Pm4.5*10-1Yb3.1Sm7.06Lu0.8Eu2.1稀土元素在元素周期表中的位置十分特殊,17個元素同處在第IIIB族，鈧、釔、鑭、分別為第四、五、六、長周期中過渡元素系列的第一個元素。鑭與其后的14個元素性質十分相似，化學家們只能把它們放入一個格子內，難怪有人把它們當成洞位素”對待，然而由于其原子序數(shù)不同，還不能算作真正的同位素。就是說，它們性質十分相似，又不完全一樣，這就造成了這組元素分離的困難，但也表明只要利用其微小的差別，分離又是可能的；另一方面，它們的電子結構有一個沒有完全充滿的內電子層，即4f電子層。由于4f層電子數(shù)的不同，這組元素的每一個元素又具有很特別的個性，特別是光學和磁學性質，就像是一架鍵盤齊全、音域寬廣的鋼琴一樣。信息、生物、新材料、新能源、空間和海洋被當代科學家推為六大新科技群，人們之所以重視稀土、研究稀土、開發(fā)稀土、就是為稀土元素在這六大科技群中都有其施展本領的天地。然而稀土元素畢竟還是一組尚不被人們完全認識的元素，這就需要下大力氣去研究、認識它們，從而去撐握它們，使它們對人類有更大的貢獻。二、稀土的常見用途下面我們就具體談談各種稀土元素的時機應用，以便更好的區(qū)別輕稀土和重稀土：銅(La)：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(fā)光材料(蘭粉)、貯氫材料、光學玻璃、激光材料、各種合金材料等。她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。鈰(Ce)：1,鋪作為玻璃添加劑，能吸收紫外線與紅外線，現(xiàn)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(jié)約空調用電。從1997年起，日本汽車玻璃全加入氧化鋪，1996年用于汽車玻璃的氧化鋪至少有2000噸，美國約1000多噸。2，目前正將鋪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強。3,硫化鋪可以取代鉛、鎘等對環(huán)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(yè)。目前領先的是法國羅納普朗克公司。4,Ce:LiSAF激光系統(tǒng)是美國研制出來的固體激光器，通過監(jiān)測色氨酸濃度可用于探查生物武器，還可用于醫(yī)學。鋪應用領域非常廣泛，幾乎所有的稀土應用領域中都含有鋪。如拋光粉、儲氫材料、熱電材料、鋪鎢電極、陶瓷電容器、壓電陶瓷、鈾碳化硅磨料、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。錯(Pr)：1,錯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。選用廉價的錯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。以錯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(wěn)定性。我國70年代開始投入工業(yè)使用，用量不斷增大。4,錯還可用于磨料拋光。另外，錯在光纖領域的用途也越來越廣。釵(Nd)：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。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(yōu)異的性能廣泛用于電子、機械等行業(yè)。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(yè)上廣泛用于厚度在10mm以下薄型材料的焊接和切削。在醫(yī)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(chuàng)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。隨著科學技術的發(fā)展，稀土科技領域的拓展和延伸，釹元素將會有更廣闊的利用空間。钷（Pm）：鈿為核反應堆生產的人造放射性元素，主要用途如下：1,可作熱源。為真空探測和人造衛(wèi)星提供輔助能量。2,Pm147放出能量低的。射線，用于制造鈿電池。作為導彈制導儀器及鐘表的電源。此種電池體積小，能連續(xù)使用數(shù)年之久。此外，鈿還用于便攜式X-射線儀、制備熒光粉、度量厚度以及航標燈中。釤（Sm）：釤鉆磁體是最早得到工業(yè)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(fā)明了SmCo5系，后期發(fā)明了Sm2Co17系。現(xiàn)在是以后者的需求為主。釤鉆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。銪（Eu）：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?，F(xiàn)在Y2O2S:Eu3+是發(fā)光效率、涂敷穩(wěn)定性、回收成本等最好的熒光粉。再加上對提高發(fā)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(yī)療診斷系統(tǒng)的受激發(fā)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。釓（Gd）：1,其水溶性順磁絡合物在醫(yī)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(wǎng)。3,在包鎵石榴石中的包對于磁泡記憶存儲器是理想的單基片。4,在無Camot循環(huán)限制時，可用作固態(tài)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,用作釤鉆磁體的添加劑，以保證性能不隨溫度而變化。另外，氧化釓與鑭一起使用，有助于玻璃化區(qū)域的變化和提高玻璃的熱穩(wěn)定性。氧化包還可用于制造電容器、x射線增感屏。在世界上目前正在努力開發(fā)包及其合金在磁致冷方面的應用，現(xiàn)已取得突破性進展，室溫下采用超導磁體、金屬包或其合金為致冷介質的磁冰箱已經問世。鋱（Tb）：1,熒光粉用于三基色熒光粉中的綠粉的激活劑，如鈦激活的磷酸鹽基質、鈦激活的硅酸鹽基質、鈦激活的鈰鎂鋁酸鹽基質，在激發(fā)狀態(tài)下均發(fā)出綠色光。2,磁光貯存材料，近年來鈦系磁光材料已達到大量生產的規(guī)模，用Tb-Fe非晶態(tài)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，含鈦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(huán)形器的關鍵材料。特別是鈦鏑鐵磁致伸縮合金（TerFenol）的開發(fā)研制，更是開辟了鈦的新用途，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(xiàn)。鈦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(tǒng)、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(jié)機翼調節(jié)器等領域。錨（Dy）：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(fā)光中心三基色發(fā)光材料的激活離子，它主要由兩個發(fā)射帶組成，一為黃光發(fā)射，另一為藍光發(fā)射，摻鏑的發(fā)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(xiàn)。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(shù)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(wěn)定等優(yōu)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(yè)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(fā)展，鏑的應用領域將會不斷的拓展和延伸。欽（Ho）：1,用作金屬鹵素燈添加劑，金屬鹵素燈是一種氣體放電燈，它是在高壓汞燈基礎上發(fā)展起來的，其特點是在燈泡里充有各種不同的稀土鹵化物。目前主要使用的是稀土碘化物，在氣體放電時發(fā)出不同的譜線光色。在欽燈中采用的工作物質是碘化欽，在電弧區(qū)可以獲得較高的金屬原子濃度，從而大大提高了輻射效能。2，欽可以用作釔鐵或釔鋁石榴石的添加劑。3，摻欽的釔鋁石榴石（Ho:YAG）可發(fā)射2pm激光，人體組織對2pm激光吸收率高，幾乎比Hd:YAG高3個數(shù)量級。所以用Ho:YAG激光器進行醫(yī)療手術時，不但可以提高手術效率和精度，而且可使熱損傷區(qū)域減至更小。鈥品體產生的自由光束可消除脂肪而不會產生過大的熱量，從而減少對健康組織產生的熱損傷，據(jù)報道美國用欽激光治療青光眼，可以減少患者手術的痛苦。我國2pm激光晶體的水平已達到國際水平，應大力開發(fā)生產這種激光品體。4,在磁致伸縮合金Terfenol-D中，也可以加入少量的欽，從而降低合金飽和磁化所需的外場。5,另外用摻欽的光纖可以制作光纖激光器、光纖放大器、光纖傳感器等等光通訊器件在光纖通信迅猛的今天將發(fā)揮更重要的作用。鉺（Er）：1，Er3+在1550nm處的光發(fā)射具有特殊意義，因為該波長正好位于光纖通訊的光學纖維的最低損失，鉗離子（Er3+）受到波長980nm、1480nm的光激發(fā)后，從基態(tài)4I15/2躍遷至高能態(tài)4I13/2，當處于高能態(tài)的Er3+再躍遷回全基態(tài)時發(fā)射出1550nm波長的光，石英光纖可傳送各種不同波長的光，但不同的光光衰率不同，1550nm頻帶的光在石英光纖中傳輸時光衰減率最低（0.15分貝/公里），幾乎為下限極限衰減率。因此，光纖通信在1550nm處作信號光時，光損失最小。這樣，如果把適當濃度的鉗摻入合適的基質中，可依據(jù)激光原理作用，放大器能夠補償通訊系統(tǒng)中的損耗，因此在需要放大波長1550nm光信號的電訊網(wǎng)絡中，摻鉗光纖放大器是必不可少的光學器件，目前摻鉗的二氧化硅纖維放大器已實現(xiàn)商業(yè)化。據(jù)報道，為避免無用的吸收，光纖中鉗的摻雜量幾十至幾百ppm。光纖通信的迅猛發(fā)展，將開辟鉗的應用新領域。2,另外摻鉗的激光晶體及其輸出的1730nm激光和1550nm激光對人的眼睛安全，大氣傳輸性能較好，對戰(zhàn)場的硝煙穿透能力較強，保密性好，不易被敵人探測，照射軍事目標的對比度較大，已制成軍事上用的對人眼安全的便攜式激光測距儀。3，Er3+加入到玻璃中可制成稀土玻璃激光材料，是目前輸出脈沖能量最大，輸出功率最高的固體激光材料。4,Er3+還可做稀土上轉換激光材料的激活離子。5,另外鉗也可應用于眼鏡片玻璃、結品玻璃的脫色和著色等。銩（Tm）：1,銩用作醫(yī)用輕便X光機射線源，銩在核反應堆內輻照后產生一種能發(fā)射X射線的同位素，可用來制造便攜式血液輻照儀上，這種輻射儀能使銩-169受到高中子束的作用轉變?yōu)殇A-170，放射出X射線照射血液并使白血細胞下降，而正是這些白細胞引起器官移植排異反應的，從而減少器官的早期排異反應。2,銩元素還可以應用于臨床診斷和治療腫瘤，因為它對腫瘤組織具有較高親合性，重稀土比輕稀土親合性更大，尤其以銩元素的親合力最大。3,銩在X射線增感屏用熒光粉中做激活劑LaOBr:Br（藍色），達到增強光學靈敏度，因而降低了X射線對人的照射和危害，與以前鎢酸鈣增感屏相比可降低X射線劑量50%，這在醫(yī)學應用具有重要現(xiàn)實的意義。4,銩還可在新型照明光源金屬鹵素燈做添加劑。5,Tm3+加入到玻璃中可制成稀土玻璃激光材料，這是目前輸出脈沖量最大，輸出功率最高的固體激光材料。Tm3+也可做稀土上轉換激光材料的激活離子。鏡（Yb）：1,作熱屏蔽涂層材料。鏡能明顯地改善電沉積鋅層的耐蝕性，而且含鏡鍍層比不含鏡鍍層品粒細小，均勻致密。2,作磁致伸縮材料。這種材料具有超磁致伸縮性即在磁場中膨脹的特性。該合金主要由鏡/鐵氧體合金及鏑/鐵氧體合金構成，并加入一定比例的錳，以便產生超磁致伸縮性。3,用于測定壓力的鏡元件，試驗證明，鏡元件在標定的壓力范圍內靈敏度高，同時為鏡在壓力測定應用方面開辟了一個新途徑。，4,磨牙空洞的樹脂基填料，以替換過去普遍使用銀汞合金。5，日本學者成功地完成了摻鏡釓鎵石榴石埋置線路波導激光器的制備工作，這一工作的完成對激光技術的進一步發(fā)展很有意義。另外，鏡還用于熒光粉激活劑、無線電陶瓷、電子計算機記憶元件（磁泡）添加劑、和玻璃纖維助熔劑以及光學玻璃添加劑等。镥（Lu）：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(wěn)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(yōu)于NYAB晶體。6,經國外有關部門研究發(fā)現(xiàn)，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。釘（Y）：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