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据说只有添加它们,才能提高材料的性能

日期: 2017-03-29
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一个国家的稀土消耗量,就可以判断一个国家的工业水平,任何高,精,尖的材料,原件,设备都离不开稀有金属。为什么同样是钢材,别人就比你耐腐蚀?同样是机床主轴,别人就比你耐用精确?同样是单晶,别人就能达到1650°的高温?为什么别人的玻璃折射率这么高?为什么丰田能做到世界最高汽车热效率41%?这些统统都跟稀有金属的应用有关系。
接下来小编会整理一系列的文章,重点介绍一下稀土金属的应用以及其起到的关键性的作用。
稀土金属(rare earth metals)又称稀土元素,稀有金属,是元素周期表ⅢB族中钪、钇、镧系17种元素的总称,常用R或RE表示。钪和钇因为经常与镧系元素在矿床中共生,且具有相似的化学性质,故被认为是稀土元素。

与其名称暗示的不同,稀土元素(钷除外)在地壳中的丰度相当高,其中铈在地壳元素丰度排名第25,占0.0068%(与铜接近)。然而,由于其地球化学性质,稀土元素很少富集到经济上可以开采的程度。稀土元素的名称正是源自其匮乏性。人类第一种发现的稀土矿物是从瑞典伊特比村的矿山中提取出的硅铍钇矿,许多稀土元素的名称正源自于此地。
它们的名称和化学符号是钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)。它们的原子序数是21(Sc)、39(Y)、57(La)到71(Lu)。

稀土元素的发现史
1787年瑞典人阿伦尼乌斯(C.A. Arrhenius)在斯德哥尔摩附近的于特比 (Ytterby)小镇上找到一种不寻常的稀土金属黑色矿石,1794年芬兰人加多林(J.Gadolin)从中分离出一种新的物质。三年后(1797),瑞典人埃克贝里(A.G.Ekeberg)证实了这一发现,并以发现地名给新的物质命名为yttria(钇土)。后来为了纪念加多林,称这种矿石为gadolinite(加多林矿,即硅铍钇矿)。1803年德国化学家克拉普罗特(M.H.Klaproth)、瑞典化学家贝采利乌斯(J.J.Berzelius)和希辛格尔(W. Hisinger)分别从一种矿石(铈硅矿)中发现了一种新的物质──铈土(ceria)。1839年瑞典人穆桑德尔(C.G. Mosander)发现了镧。1843年穆桑德尔又发现了铽和铒。1878年瑞士人马里纳克发现了镱。1879年法国人布瓦博德朗发现了钐,瑞典人克利夫 (P.T.Cleve)发现了钬和铥,瑞典人尼尔松(L.F. Nilson)发现了钪。1880年瑞士人马里纳克发现了钆。1885年奥地利人韦尔斯巴赫(A. von Wels-bach)发现了镨和钕。1886年布瓦博德朗发现了镝。1901年法国人德马尔凯(E.A.Demarcay)发现了铕。1907年法国人于尔班(G.Urbain)发现了镥。1947年美国人马林斯基(J.A.Marinsky)等从铀裂变产物中得到钷。从1794年加多林分离出钇土至1947年制得钷,历时150多年。

稀土元素的应用
稀土元素被誉为"工业的维生素",具有无法取代的优异磁、光、电性能,对改善产品性能,增加产品品种,提高生产效率起到了巨大的作用。由于稀土作用大,用量少,已成为改进产品结构、提高科技含量、促进行业技术进步的重要元素,被广泛应用到了冶金、军事、石油化工、玻璃陶瓷、农业和新材料等领域。

冶金工业

稀土在冶金领域应用已有30多年的历史,目前已形成了较为成熟的技术与工艺,稀土在钢铁、有色金属中的应用,是一个量大面广的领域,有广阔的前景。稀土金属或氟化物、硅化物加入钢中,能起到精炼、脱硫、中和低熔点有害杂质的作用,并可以改善钢的加工性能;稀土硅铁合金、稀土硅镁合金作为球化剂生产稀土球墨铸铁,由于这种球墨铸铁特别适用于生产有特殊要求的复杂球铁件,被广泛用于汽车、拖拉机、柴油机等机械制造业;稀土金属添加至镁、铝、铜、锌、镍等有色合金中,可以改善合金的物理化学性能,并提高合金室温及高温机械性能。
军事领域

由于稀土具有优良的光电磁等物理特性,能与其他材料组成性能各异、品种繁多的新型材料,能大幅度提高其他产品的质量和性能。因此有"工业黄金"之称。首先,稀土的加入可以大幅度提高用于制造坦克、飞机、导弹的钢材、铝合金、镁合金、钛合金的战术性能。另外,稀土还可以用作电子、激光、核工业、超导等诸多高科技的润滑剂。稀土科技一旦用于军事,必然带来军事科技的跃升。从一定意义上说,美军在冷战后几次局部战争中压倒性控制,以及能够对敌人肆无忌惮地公开杀戮,正源于其稀土科技超人一等。
石油化工

稀土在石油化工领域可以用来制成分子筛催化剂,具有活性高、选择性好、抗重金属中毒能力强等优点,因而取代了硅酸铝催化剂用于石油催化裂化过程;在合成氨生产过程中,用少量的硝酸稀土作助催化剂,其处理气量比镍铝催化剂大1.5倍;在合成顺丁橡胶和异戊橡胶过程中,采用环烷酸稀土-三异丁基铝型催化剂,所获得的产品性能优良,具有设备挂胶少,运转稳定,后处理工序短等优点;复合稀土氧化物还可以用作内燃机尾气净化催化剂,环烷酸铈还可用作油漆催干剂等。
玻璃陶瓷

我国玻璃与陶瓷工业中的稀土应用量自1988年以来平均以25%的速度递增,1998年已达约1600吨,稀土玻璃陶瓷既是工业和生活的传统基础材料,又是高科技领域的主要成员。稀土氧化物或经过加工处理的稀土精矿,可作为抛光粉广泛用于光学玻璃、眼镜片、显像管、示波管、平板玻璃、塑料及金属餐具的抛光;在熔制玻璃过程中,可利用二氧化铈对铁有很强的氧化作用,降低玻璃中的铁含量,以达到脱除玻璃中绿色的目的;添加稀土氧化物可以制得不同用途的光学玻璃和特种玻璃,其中包括能通过红外线、吸收紫外线的玻璃、耐酸及耐热的玻璃、防X-射线的玻璃等;在陶釉和瓷釉中添加稀土,可以减轻釉的碎裂性,并能使制品呈现不同的颜色和光泽,被广泛用于陶瓷工业。
农业方面

研究结果表明,稀土元素可以提高植物的叶绿素含量,增强光合作用,促进根系发育,增加根系对养分吸收。稀土还能促进种子萌发,提高种子发芽率,促进幼苗生长。除了以上主要作用外,还具有使某些作物增强抗病、抗寒、抗旱的能力。大量的研究还表明,使用适当浓度稀土元素能促进植物对养分的吸收、转化和利用。喷施稀土可使苹果和柑橘果实的Vc含量、总糖含量、糖酸比均有所提高,促进果实着色和早熟。并可抑制贮藏过程中呼吸强度,降低腐烂率。
新材料领域

稀土钕铁硼永磁材料,具有高剩磁、高矫顽力和高磁能积等特性,被广泛用于电子及航天工业和驱动风力发电机(特别适合海上发电场);纯稀土氧化物和三氧化二铁化合而成的石榴石型铁氧体单晶及多晶,可用于微波与电子工业;用高纯氧化钕制作的钇铝石榴石和钕玻璃,可作为固体激光材料;稀土六硼化物可用于制作电子发射的阴极材料;镧镍金属是70年代新发展起来的贮氢材料;铬酸镧是高温热电材料;当前世界各国采用钡钇铜氧元素改进的钡基氧化物制作的超导材料,可在液氮温区获得超导体,使超导材料的研制取得了突破性进展。此外,稀土还以荧光粉、增感屏荧光粉、三基色荧光粉、复印灯粉等方式广泛用于照明光源(但由于稀土价格上涨导致成本较高,因此在照明上的应用逐渐减少),投影电视平板电脑等电子产品;在农业方面,向田间作物施用微量的硝酸稀土,可使其产量增加5~10%;在轻纺工业中,稀土氯化物还广泛用于鞣制毛皮、皮毛染色、毛线染色及地毯染色等方面;稀土用于汽车催化转换器中可以将主要污染物在发动机排气时将气体成无毒的化合物。
其他应用
稀土元素还被应用于各种各样的数码产品包括视听、摄影、通讯多种数码设备,满足了产品更小、更快、更轻便、使用时间更长、节能等多项要求。同时,还被应用到了绿色能源、医疗、净水、交通等多个领域。

 

 

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