稀土金屬的最新應(yīng)用

1、稀土金屬的最新應(yīng)用引言稀土金屬材料可以分成稀土金屬合金以及稀土金屬間化合物兩大類。稀土金屬合金有稀土鑄鐵、稀土鋼 鐵合金、稀土有色金屬合金等，多為結(jié)構(gòu)材料。稀土金屬間化合物則是稀土金屬與其他金屬或類金屬之 間形成的具有一定化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)和顯著金屬結(jié)合鍵的物質(zhì)，原子遵循著某種有序化的排列。這些 金屬間化合物在稀土合金相圖中被稱為稀土金屬中間相。稀土金屬間化合物主要有稀土磁性材料、稀土 儲氫材料、稀土熱 電材料(YbAl3，CePd3，YbxCo4Sb12，CeNiSn)、熱電子發(fā)射材料(LaB6單 晶)、超導(dǎo)材料(LaAl，LaAl2，LaSi3)等，多為功能材料。一、稀土金屬在冶金及其結(jié)構(gòu)

2、材料上的應(yīng)用稀土是活潑的，易與氧、氫、氮、硫和其他元素結(jié)合成化合物但不易與碳結(jié)合。在煉鋼工藝中稀土用 來生產(chǎn)較純的、不含氣體的鋼，其含硫低,夾雜少。硫化物夾雜呈球形，熱軋時(shí)仍為球形，它均勻布于晶內(nèi)，這 就增加鋼的熱塑性和可彎曲性，使其韌性更加各向同性。加稀土處理過的鋼達(dá)到較高的屈服強(qiáng)度和沖擊韌 性,并具有較低的脆性轉(zhuǎn)變溫度。它使低合金鋼獲致較高的硬度很高的耐磨和抗蝕性能，使含高鉻的鐵素體 不誘鋼獲得更高的抗氧化能力,在循環(huán)加熱試驗(yàn)中結(jié)果良好，并可替代鎳鉻合金作發(fā)熱體用。稀土促進(jìn)了鑄 鐵中的石墨化和球化，細(xì)化了石墨體，鐵素體和共晶體;從而提高了鑄鐵的延性、韌性和強(qiáng)度。制延性鑄鐵時(shí), 加鈰可減少鎂

3、的添加量，因而防止了鎂的揮發(fā)和燒損。隨著稀土的添加，灰口鐵成為較有延性的，白口鐵更為 耐磨，使可加工鑄鐵的熱處理時(shí)間縮短，而合金鑄鐵可獲得更好的抗蝕和抗氧化能力。稀土在金屬中添加的量雖然不多，但是應(yīng)用領(lǐng)域非常廣，而且?guī)淼母郊觾r(jià)值高，仍有很大的發(fā)展空 間。除了在鑄鐵、鋼鐵以及有色金屬中的應(yīng)用外，在稀土金屬間化合物方面的應(yīng)用也開始受到關(guān)注，如 B2型稀土金屬間化合物由于具有良好的室溫塑性而受到人們的關(guān)注，在這種稀土金屬間化合物中發(fā)現(xiàn) 應(yīng)力誘導(dǎo)相變有助于提高材料的塑性。美國Ames實(shí)驗(yàn)室的KarlAGschneidner博士在探索室溫下具有較 好韌性的稀土金屬間化合物，在NatureMateria

4、ls雜志上報(bào)道了一系列晶體結(jié)構(gòu)為CsCl型(B2)、化學(xué)成 分為RM(R:表示稀土金屬，M:2，8-13族金屬)的稀土金屬間化合物都具有良好的室溫塑性。二、稀土金屬催化劑催化劑降低反應(yīng)活性能，促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，是化學(xué)化工上的一個(gè)核心技術(shù)，影響到很多產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。稀 土元素及其化合物具有很好的催化性質(zhì)，在石油化工、橡膠合成、氨的合成、尾氣凈化、塑料降解、污 水處理一些涉及到節(jié)能和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域得到重要應(yīng)用。下面是幾例最新發(fā)現(xiàn)：稀土硅氨化物在催化制備螺環(huán)丙烷-1,3引哚化合物中的應(yīng)用硅氨基稀土化合物化學(xué)式為(MeSi)NLn(-Cl)Li(THF)，可作為催化劑催化取代靛紅、亞磷酸酯和烯 烴，鍋化反應(yīng)制備

5、螺環(huán)丙烷-1,3-引哚化合物；催化劑中，(MeSi)N表示三甲基硅氨基，Ln表示正三價(jià) 的稀土金屬離子，選自鑭、釤、包、鉺或鏡中的種；-代表橋鍵；THF代表四氫呋喃。此方法中，催化劑 合成方法簡單，反應(yīng)原料簡單易得，底物適用范圍廣，鍋化反應(yīng)方法效率高，反應(yīng)條件溫和，大部分目 標(biāo)產(chǎn)物的收率均達(dá)85%以上。稀土咪唑鹽化合物作為催化劑的應(yīng)用稀土咪唑鹽化合物的通式為RECl(THF)(HIPr)，其中，RE為稀土金屬，選自La、Sm、Yb、Y中的 種；HIPr為1,3-二(2,6-二異丙基苯基)咪唑陽離子；本發(fā)明的稀土咪唑鹽化合物合成簡單，結(jié)構(gòu)明確，且 收率高。本發(fā)明同時(shí)提供了上述化合物的制備方法及將

6、其作為催化劑催化氮雜環(huán)丙烷衍生物與二氧化碳 反應(yīng)的應(yīng)用方法，應(yīng)用方法條件溫和，活性高，選擇性好，底物適應(yīng)范圍廣。稀土改性活性炭催化劑應(yīng)用煤氣化廢水是煤氣化過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，含有多種高濃度污染物，包括大量的苯酚，氨，硫化 物，氰化物，焦油等，生物降解性差。作為載體的活性炭在低溫下負(fù)載稀土金屬La，Ce，Pr和Nd以提 高活性，制備具有較大比表面積，高活性和高穩(wěn)定性的活性炭基催化劑;在80r的常壓系統(tǒng)中催化劑使用 240小時(shí)后，催化劑的活性仍可基本保持不變。三、稀土金屬磁性材料稀土永磁材料因其合金成份不同,目前可分為三類1):(1)稀土-鉆永磁材料:SmCo5、Sm2Co17;(2) 稀土-鐵永

7、磁材料:Nd2Fe14B;(3)稀土鐵氮(RE-Fe-N系)或稀土鐵碳(RE-Fe-C系)永磁材料。按開發(fā)應(yīng)用 的時(shí)間順序可分為第一代(1：5型SmCo5)、第二代(2：7型Sm2Co17)、第三代(NdFeB),目前正在積極 開發(fā)尋找第四代稀土永磁體。第一代SmCo5稀土永磁體出現(xiàn)不久，為了提高永磁合金的磁能積，開發(fā)了第二 代Sm2Co17稀土永磁體。Sm2Co17具有較高的磁性能和穩(wěn)定性，得到了廣泛的應(yīng)用。80年代 Nd2Fe14B型稀土永磁體問世，因其優(yōu)異的性能和較低的價(jià)格很快在許多領(lǐng)域取代了 Sm2Co17型稀土永 磁體，并很快實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。其性能仍在不斷提高日本已開發(fā)出了磁能積為

8、55.8MGOe的Nd2Fe14B 型稀土永磁體。NdFeB永磁體已廣泛地用于能源、交通、機(jī)械、醫(yī)療、計(jì)算機(jī)、家電等領(lǐng)域。中國Nd FeB產(chǎn)量1998年占世界總產(chǎn)量的38%,總量為3850噸。但中國NdFeB產(chǎn)業(yè)仍未形成規(guī)?；?jīng)營，產(chǎn)品 多為中低檔產(chǎn)品，磁能積一般小于45MGOe，多為40MGOe以下產(chǎn)品,因而多用于音響器材、磁化器、磁選機(jī) 等中低檔領(lǐng)域;而日本NdFeB生產(chǎn)只集中于幾個(gè)大廠，其產(chǎn)品多為40MGOe以上產(chǎn)品,多用于計(jì)算機(jī)V CM、新型電機(jī)、MRI等高技術(shù)領(lǐng)域。中國NdFeB產(chǎn)業(yè)只有實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)集團(tuán)化、產(chǎn)品質(zhì)量高性能 化，才能在國際競爭中立于不敗之地并帶動稀土產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。四、

9、稀土金屬儲氫稀土儲氫材料的研究始于20世紀(jì)60年代末，荷蘭Philips公司首先發(fā)現(xiàn)LaNi5(AB5)型合金具有 可逆吸放氫性能。1989年日本松下公司將AB5型稀土儲氫材料成功應(yīng)用于鎳氫電池，從而開始了稀土 儲氫材料的產(chǎn)業(yè)化。稀土儲氫合金研究主要集中在新型合金、鎳氫電池、正極材料、表面改性、應(yīng)用、 回收和再利用、制備方法、導(dǎo)電劑等領(lǐng)域?，F(xiàn)在關(guān)鍵核心技術(shù)在于新的成分設(shè)計(jì)、甩帶、表面改性3個(gè) 方面。稀土儲氫材料目前主要應(yīng)用于鎳氫電池(MH-Ni)、輸氫-貯氫裝置、熱能-機(jī)械能轉(zhuǎn)化系統(tǒng)、蓄熱- 輸熱系統(tǒng)、氫反應(yīng)催化劑、H2的分離和凈化、傳感器材料等領(lǐng)域。稀土儲氫合金在鎳氫二次電池中的應(yīng)用鎳氫電池

10、于1988年進(jìn)入實(shí)用化階段，1990年在日本開始規(guī)模生產(chǎn)，此后產(chǎn)量成倍增加。2000年日 本鎳氫電池產(chǎn)量達(dá)到7億只左右，中國的產(chǎn)量不足1億只。近年由于在手機(jī)、筆記本電腦和數(shù)碼相機(jī)等 領(lǐng)域受到鋰離子電池強(qiáng)有力的競爭和中國同行的崛起，日本鎳氫電池產(chǎn)量下降到5億只左右，中國企業(yè) 的產(chǎn)量也上升到5億只左右，90%以上的鎳氫電池產(chǎn)自中國和日本。鎳氫電池為了應(yīng)對鋰離子電池的擠壓，近年來致力于體積比能量的提高，功率特性和高低溫性能的改 善。提高材料性能和增加電池內(nèi)填充密度，鎳氫電池體積能量密度從1990年的180Wh/L增長到 400Wh/L以上，AA電池的容量從1000mAh提升到2300mAh，三洋公司

11、報(bào)道已開發(fā)出容量達(dá)2500mAh 的AA型鎳氫電池。鎳氫電池的能量比的提高使其在通訊和便攜家電等領(lǐng)域內(nèi)仍具有一定的競爭力。除了鎳氫電池外，稀土儲氫合金和燃料電池的連用也是一個(gè)發(fā)展方向。美國正在進(jìn)行以貯氫合金供氫 的燃料電池驅(qū)動的高爾夫球車的試驗(yàn)。加拿大巴拉德公司研制出與筆記本電腦中燃料電池相配套的貯氫 合金儲氫盒。德國采用貯氫合金來作為AIP型潛艇用燃料電池的氫源。六、稀土金屬軍事應(yīng)用現(xiàn)代的陸?？仗觳筷?duì)武器裝備里少不了稀土。在陸軍武器裝備中，稀土元素可用于裝甲用鋼材料。稀土元素還可以用在火控瞄準(zhǔn)系統(tǒng)中，如美國引 以為豪的M1A2坦克憑借自身先進(jìn)的火控系統(tǒng)，能夠在戰(zhàn)場上做到先敵發(fā)現(xiàn)和先敵開火，主

12、要是它裝備 了獨(dú)特的激光測距儀，這就要用到稀土金屬“釔元素。海灣戰(zhàn)爭中，美軍M1A2坦克測距距離為4000 米，而伊拉克的T-72坦克測距距離只能達(dá)到2000米。同時(shí)，美軍坦克還裝備了含有稀土金屬“鑭元素 的夜視儀。結(jié)果，在沙塵漫天的戰(zhàn)場上，無論白天黑夜，美軍坦克都占有無可比擬的絕對優(yōu)勢。在空軍武器裝備中，稀土應(yīng)用的程度更深。其中，鏑、釹、鋱、銪、金乙是飛機(jī)上最重要的5種稀土 金屬元素，它們可用于飛機(jī)的熱障涂層。而稀土金屬的高強(qiáng)度和高耐用性，還大大減輕了飛機(jī)的自重。 如在美軍的F22戰(zhàn)機(jī)上，機(jī)體和發(fā)動機(jī)都大量采用了稀土“銖元素，以滿足超音速巡航對機(jī)身堅(jiān)固性的 高要求。在機(jī)載精準(zhǔn)制導(dǎo)彈藥中，含有

13、“彩”、“鉆稀土元素的永磁發(fā)動機(jī)則在武器操控中起著至關(guān)重要的 作用。在海軍的武器裝備中，“銖元素可以極大地強(qiáng)化鈦合金，從而用于制造極高航速和較大潛深的合金潛 艇。前蘇聯(lián)上世紀(jì)制造的“阿爾法級、M級和S級潛艇都屬于鈦合金潛艇。這些潛艇普通航速達(dá)到40節(jié) 以上，潛深可至400-600米。這種魚雷追不上，夠不著的潛艇，一度成為美國海軍的心頭大患。作為美 國海軍“宙斯盾系統(tǒng)核心部分的SPY-1雷達(dá)也使用了由稀土元素制成的磁鐵。在航天上，以“鉬元素為主的二硫化鉬能夠適應(yīng)太空的高真空和宇宙射線的強(qiáng)輻射，成為各類航天器 上必不可少的軸承潤滑劑。由此可知，稀土的軍事應(yīng)用，不但廣泛，而且很關(guān)鍵。這就是其成為世界各 國，尤其是軍工大國關(guān)注的焦點(diǎn)的主要原因?？偨Y(jié)：稀土材料的種類繁多，用途極廣，隨著研究開發(fā)的進(jìn)一步深入，新的稀土材料將會不斷出現(xiàn)。雖然我國稀 土儲量、產(chǎn)量、應(yīng)用和出口量等均為世界第一，但是與美國、日本等國家相比，我國在稀土材料的研究、開 發(fā)及應(yīng)用方面還存在一定的差距。所以，大力提升我國稀土產(chǎn)業(yè)應(yīng)用水平，提高現(xiàn)有稀土產(chǎn)品的附加值，重視 具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的稀土新材料和創(chuàng)新技術(shù)開發(fā)，把稀土資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為信息和技術(shù)優(yōu)勢。隨著全 球社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和新技術(shù)革命的到來，稀土材料和科技產(chǎn)業(yè)有著更廣闊的發(fā)展前景。目前常用的