稀土基本知識(shí)及用途介紹

稀土的基本知識(shí)及用途介紹一、基本知識(shí)稀土的英文是RareEarth,意即“稀少的土”。其實(shí)這不過是18世紀(jì)遺留給人們的誤會(huì)。1787年后人們相繼發(fā)現(xiàn)了若干種稀土元素，但相應(yīng)的礦物發(fā)現(xiàn)卻很少。由于當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)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(gè)別致有趣的名字。根據(jù)國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)對(duì)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(gè)鑭系元素，即鑭（57）、鈰（58）、錯(cuò)（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(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)相近的鈧（21）和釔（39），共計(jì)17個(gè)元素。除鈧與钷外，其余15個(gè)元素往往共生。根據(jù)稀土元素間物理化學(xué)性質(zhì)和地球化學(xué)性質(zhì)的某些差異和分離工藝的要求，學(xué)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(cuò)、釹、钷、釤、銪7個(gè)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(gè)元素稱為重稀土元素，亦稱釔組稀土元素。盡管釔的原子量?jī)H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(xué)性質(zhì)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(fù)鹽溶解度大小可分為：難溶性鈰組即輕稀土組，包括鑭、鈰、錯(cuò)、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?，F(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(cuò)、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(dá)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(gè)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(gè)元素。鑭與其后的14個(gè)元素性質(zhì)十分相似，化學(xué)家們只能把它們放入一個(gè)格子內(nèi)，難怪有人把它們當(dāng)成洞位素”對(duì)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(zhì)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(jié)構(gòu)有一個(gè)沒有完全充滿的內(nèi)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(gè)元素又具有很特別的個(gè)性，特別是光學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)，就像是一架鍵盤齊全、音域?qū)拸V的鋼琴一樣。信息、生物、新材料、新能源、空間和海洋被當(dāng)代科學(xué)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(lǐng)的天地。然而稀土元素畢竟還是一組尚不被人們完全認(rèn)識(shí)的元素，這就需要下大力氣去研究、認(rèn)識(shí)它們，從而去撐握它們，使它們對(duì)人類有更大的貢獻(xiàn)。二、稀土的常見用途下面我們就具體談?wù)劯鞣N稀土元素的時(shí)機(jī)應(yīng)用，以便更好的區(qū)別輕稀土和重稀土：銅(La)：鑭的應(yīng)用非常廣泛，如應(yīng)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(xué)玻璃、激光材料、各種合金材料等。她也應(yīng)用到制備許多有機(jī)化工產(chǎn)品的催化劑中，光轉(zhuǎn)換農(nóng)用薄膜也用到鑭，在國外，科學(xué)家把鑭對(duì)作物的作用賦與”超級(jí)鈣”的美稱。鈰(Ce)：1,鋪?zhàn)鳛椴Ａ砑觿?，能吸收紫外線與紅外線，現(xiàn)已被大量應(yīng)用于汽車玻璃。不僅能防紫外線，還可降低車內(nèi)溫度，從而節(jié)約空調(diào)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(yīng)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(fèi)量占稀土總消費(fèi)量的三分之一強(qiáng)。3,硫化鋪可以取代鉛、鎘等對(duì)環(huán)境和人類有害的金屬應(yīng)用到顏料中，可對(duì)塑料著色，也可用于涂料、油墨和紙張等行業(yè)。目前領(lǐng)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(cè)色氨酸濃度可用于探查生物武器，還可用于醫(yī)學(xué)。鋪應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，幾乎所有的稀土應(yīng)用領(lǐng)域中都含有鋪。如拋光粉、儲(chǔ)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(cuò)(Pr)：1,錯(cuò)被廣泛應(yīng)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(dú)作釉下顏料，制成的顏料呈淡黃色，色調(diào)純正、淡雅。2,用于制造永磁體。選用廉價(jià)的錯(cuò)釹金屬代替純釹金屬制造永磁材料，其抗氧性能和機(jī)械性能明顯提高，可加工成各種形狀的磁體。廣泛應(yīng)用于各類電子器件和馬達(dá)上。3，用于石油催化裂化。以錯(cuò)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(cuò)還可用于磨料拋光。另外，錯(cuò)在光纖領(lǐng)域的用途也越來越廣。釵(Nd)：釹元素的到來活躍了稀土領(lǐng)域，在稀土領(lǐng)域中扮演著重要角色，并且左右著稀土市場(chǎng)。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(lǐng)域注入了新的生機(jī)與活力。釹鐵硼磁體磁能積高，被稱作當(dāng)代”永磁之王"，以其優(yōu)異的性能廣泛用于電子、機(jī)械等行業(yè)。阿爾法磁譜儀的研制成功，標(biāo)志著我國釹鐵硼磁體的各項(xiàng)磁性能已跨入世界一流水平。釹還應(yīng)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(chǎn)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(shù)刀用于摘除手術(shù)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(xué)技術(shù)的發(fā)展，稀土科技領(lǐng)域的拓展和延伸，釹元素將會(huì)有更廣闊的利用空間。钷（Pm）：鈿為核反應(yīng)堆生產(chǎn)的人造放射性元素，主要用途如下：1,可作熱源。為真空探測(cè)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(dǎo)彈制導(dǎo)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(biāo)燈中。釤（Sm）：釤鉆磁體是最早得到工業(yè)應(yīng)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?，F(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(chǎn)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(zhì)，可用作原子能反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)材料，屏敝材料和控制材料，使核裂變產(chǎn)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(lán)色熒光粉。現(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(duì)提高發(fā)光效率和對(duì)比度等技術(shù)的改進(jìn)，故正在被廣泛應(yīng)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(xué)濾光片，用于磁泡貯存器件，在原子反應(yīng)堆的控制材料、屏敝材料和結(jié)構(gòu)材料中也能一展身手。釓（Gd）：1,其水溶性順磁絡(luò)合物在醫(yī)療上可提高人體的核磁共振（NMR）成像信號(hào)。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(zhì)柵網(wǎng)。3,在包鎵石榴石中的包對(duì)于磁泡記憶存儲(chǔ)器是理想的單基片。4,在無Camot循環(huán)限制時(shí)，可用作固態(tài)磁致冷介質(zhì)。5,用作控制核電站的連鎖反應(yīng)級(jí)別的抑制劑，以保證核反應(yīng)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(yīng)用，現(xiàn)已取得突破性進(jìn)展，室溫下采用超導(dǎo)磁體、金屬包或其合金為致冷介質(zhì)的磁冰箱已經(jīng)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(zhì)、鈦激活的硅酸鹽基質(zhì)、鈦激活的鈰鎂鋁酸鹽基質(zhì)，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(dá)到大量生產(chǎn)的規(guī)模，用Tb-Fe非晶態(tài)薄膜研制的磁光光盤，作計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)元件，存儲(chǔ)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(shù)中廣泛應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)器、隔離器和環(huán)形器的關(guān)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(dāng)Terfenol置于一個(gè)磁場(chǎng)中時(shí)，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(jī)械運(yùn)動(dòng)得以實(shí)現(xiàn)。鈦鏑鐵開始主要用于聲納，目前已廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域，從燃料噴射系統(tǒng)、液體閥門控制、微定位到機(jī)械致動(dòng)器、機(jī)構(gòu)和飛機(jī)太空望遠(yuǎn)鏡的調(diào)節(jié)機(jī)翼調(diào)節(jié)器等領(lǐng)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(jià)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(gè)發(fā)射帶組成，一為黃光發(fā)射，另一為藍(lán)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(jī)械運(yùn)動(dòng)的精密活動(dòng)得以實(shí)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(zhì)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(diǎn)，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(cè)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(zhì)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，鏑的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)不斷的拓展和延伸。欽（Ho）：1,用作金屬鹵素?zé)籼砑觿?，金屬鹵素?zé)羰且环N氣體放電燈，它是在高壓汞燈基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其特點(diǎn)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(shí)發(fā)出不同的譜線光色。在欽燈中采用的工作物質(zhì)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(duì)2pm激光吸收率高，幾乎比Hd:YAG高3個(gè)數(shù)量級(jí)。所以用Ho:YAG激光器進(jìn)行醫(yī)療手術(shù)時(shí)，不但可以提高手術(shù)效率和精度，而且可使熱損傷區(qū)域減至更小。鈥品體產(chǎn)生的自由光束可消除脂肪而不會(huì)產(chǎn)生過大的熱量，從而減少對(duì)健康組織產(chǎn)生的熱損傷，據(jù)報(bào)道美國用欽激光治療青光眼，可以減少患者手術(shù)的痛苦。我國2pm激光晶體的水平已達(dá)到國際水平，應(yīng)大力開發(fā)生產(chǎn)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(chǎng)。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?yàn)樵摬ㄩL正好位于光纖通訊的光學(xué)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(dāng)處于高能態(tài)的Er3+再躍遷回全基態(tài)時(shí)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(shí)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(hào)光時(shí)，光損失最小。這樣，如果把適當(dāng)濃度的鉗摻入合適的基質(zhì)中，可依據(jù)激光原理作用，放大器能夠補(bǔ)償通訊系統(tǒng)中的損耗，因此在需要放大波長1550nm光信號(hào)的電訊網(wǎng)絡(luò)中，摻鉗光纖放大器是必不可少的光學(xué)器件，目前摻鉗的二氧化硅纖維放大器已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。據(jù)報(bào)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(yīng)用新領(lǐng)域。2,另外摻鉗的激光晶體及其輸出的1730nm激光和1550nm激光對(duì)人的眼睛安全，大氣傳輸性能較好，對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)的硝煙穿透能力較強(qiáng)，保密性好，不易被敵人探測(cè)，照射軍事目標(biāo)的對(duì)比度較大，已制成軍事上用的對(duì)人眼安全的便攜式激光測(cè)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(zhuǎn)換激光材料的激活離子。5,另外鉗也可應(yīng)用于眼鏡片玻璃、結(jié)品玻璃的脫色和著色等。銩（Tm）：1,銩用作醫(yī)用輕便X光機(jī)射線源，銩在核反應(yīng)堆內(nèi)輻照后產(chǎn)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(zhuǎn)變?yōu)殇A-170，放射出X射線照射血液并使白血細(xì)胞下降，而正是這些白細(xì)胞引起器官移植排異反應(yīng)的，從而減少器官的早期排異反應(yīng)。2,銩元素還可以應(yīng)用于臨床診斷和治療腫瘤，因?yàn)樗鼘?duì)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(lán)色），達(dá)到增強(qiáng)光學(xué)靈敏度，因而降低了X射線對(duì)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(xué)應(yīng)用具有重要現(xiàn)實(shí)的意義。4,銩還可在新型照明光源金屬鹵素?zé)糇鎏砑觿?,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(zhuǎn)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(xì)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(chǎng)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(gòu)成，并加入一定比例的錳，以便產(chǎn)生超磁致伸縮性。3,用于測(cè)定壓力的鏡元件，試驗(yàn)證明，鏡元件在標(biāo)定的壓力范圍內(nèi)靈敏度高，同時(shí)為鏡在壓力測(cè)定應(yīng)用方面開辟了一個(gè)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(xué)者成功地完成了摻鏡釓鎵石榴石埋置線路波導(dǎo)激光器的制備工作，這一工作的完成對(duì)激光技術(shù)的進(jìn)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(jì)算機(jī)記憶元件（磁泡）添加劑、和玻璃纖維助熔劑以及光學(xué)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(yīng)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(fù)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(shù)領(lǐng)域，實(shí)驗(yàn)證明，摻镥NYAB晶體在光學(xué)均勻性和激光性能方面均優(yōu)于NYAB晶體。6,經(jīng)國外有關(guān)部門研究發(fā)現(xiàn)，镥在電致變色顯示和低維分子半導(dǎo)體中具有潛在的用途。此外，镥還用于能源電池技術(shù)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(qiáng)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