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【磁材汇】带你去看17种稀土元素

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稀土是宝贵的战略资源,有“工业味精”“新材料之母”之称,广泛应用于尖端科技领域和军工领域。

 

17种稀土用途一览

 

1 . (La)

“镧”这个元素是1839年被命名的,当时有个叫“莫桑德”的瑞典人发现铈土中含有其它元素,他借用希腊语中“隐藏”一词把这种元素取名为“镧”。


镧的应用非常广泛,如应用于压电材料、电热材料、热电材料、磁阻材料、发光材料(兰粉)、贮氢材料、光学玻璃、激光材料、各种合金材料等。镧也应用到制备许多有机化工产品的催化剂中,光转换农用薄膜也用到镧,在国外,科学家把镧对作物的作用赋与“超级钙”的美称。

 

2. (Ce)

“铈”这个元素是由德国人克劳普罗斯,瑞典人乌斯伯齐力、希生格尔于1803年发现并命名的,以纪念1801年发现的小行星--谷神星。

 

铈的广泛应用:


(1)铈作为玻璃添加剂,能吸收紫外线与红外线,现已被大量应用于汽车玻璃。不仅能防紫外线,还可降低车内温度,从而节约空调用电。

 

(2)目前正将铈应用到汽车尾气净化催化剂中,可有效防止大量汽车废气排到空气中美国在这方面的消费量占稀土总消费量的三分之一强。

 

(3)硫化铈可以取代铅、镉等对环境和人类有害的金属应用到颜料中,可对塑料着色,也可用于涂料、油墨和纸张等行业。

 

(4)Ce:LiSAF激光系统是美国研制出来的固体激光器,通过监测色氨酸浓度可用于探查生物武器,还可用于医学。

 

3. (Pr)

大约160年前,瑞典人莫桑德从镧中发现了一种新的元素,但它不是单一元素,莫桑德发现这种元素的性质与镧非常相似,便将其定名为“镨钕”。“镨钕”希腊语为“双生子”之意。大约又过了40多年,也就是发明汽灯纱罩的1885年,奥地利人韦尔斯巴赫成功地从“镨钕”中分离出了两个元素,一个取名为“钕”,另一个则命名为“镨”。

 

镨的广泛应用:

(1)镨被广泛应用于建筑陶瓷和日用陶瓷中,其与陶瓷釉混合制成色釉,也可单独作釉下颜料,制成的颜料呈淡黄色,色调纯正、淡雅。

 

(2)用于制造永磁体。选用廉价的镨钕金属代替纯钕金属制造永磁材料,其抗氧性能和机械性能明显提高,可加工成各种形状的磁体。广泛应用于各类电子器件和马达上。

 

(3)用于石油催化裂化。以镨钕富集物的形式加入Y型沸石分子筛中制备石油裂化催化剂,可提高催化剂的活性、选择性和稳定性。我国70年代开始投入工业使用,用量不断增大。

 

(4)镨还可用于磨料抛光。另外,镨在光纤领域的用途也越来越广。


4. (Nd)

伴随着镨元素的诞生,钕元素也应运而生,钕元素的到来活跃了稀土领域,在稀土领域中扮演着重要角色,并且左右着稀土市场。

 

钕元素凭借其在稀土领域中的独特地位,多年来成为市场关注的热点。金属钕的最大用户是钕铁硼永磁材料。钕铁硼永磁体的问世,为稀土高科技领域注入了新的生机与活力。

 

5. (Pm)

1947年,马林斯基(J.A.Marinsky)、格伦丹宁(L.E.Glendenin)和科里尔(C.E.Coryell)从原子能反应堆用过的铀燃料中成功地分离出61号元素,用希腊神话中的神名普罗米修斯(Prometheus)命名为钷(Promethium)。钷为核反应堆生产的人造放射性元素。 

 

钷的主要用途有:


(1)可作热源。为真空探测和人造卫星提供辅助能量。


(2)Pm147放出能量低的β射线,用于制造钷电池。作为导弹制导仪器及钟表的电源。此种电池体积小,能连续使用数年之久。此外,钷还用于便携式X-射线仪、制备荧光粉、度量厚度以及航标灯中。

 

6. (Sm)

1879年,波依斯包德莱从铌钇矿得到的“镨钕”中发现了新的稀土元素,并根据这种矿石的名称命名为钐。

 

钐呈浅黄色,是做钐钴系永磁体的原料,钐钴磁体是最早得到工业应用的稀土磁体。这种永磁体有SmCo5系和Sm2Co17系两类。70年代前期发明了SmCo5系,后期发明了Sm2Co17系。现在是以后者的需求为主。

 

7. (Eu)

1901年,德马凯(Eugene-AntoleDemarcay)从“钐”中发现了新元素,取名为铕(Europium)。这大概是根据欧洲(Europe)一词命名的。


氧化铕大部分用于荧光粉。Eu3+用于红色荧光粉的激活剂,Eu2+用于蓝色荧光粉。现在Y2O2S:Eu3+是发光效率、涂敷稳定性、回收成本等最好的荧光粉。再加上对提高发光效率和对比度等技术的改进,故正在被广泛应用。近年氧化铕还用于新型X射线医疗诊断系统的受激发射荧光粉。氧化铕还可用于制造有色镜片和光学滤光片,用于磁泡贮存器件,在原子反应堆的控制材料、屏敝材料和结构材料中也能一展身手。

 

8. (Gd)

1880年,瑞士的马里格纳克(G。de Marignac)将“钐”分离成两个元素,其中一个由索里特证实是钐元素,另一个元素得到波依斯包德莱的研究确认,1886年,马里格纳克为了纪念钇元素的发现者 研究稀土的先驱荷兰化学家加多林(Gado Linium),将这个新元素命名为钆。 

 

它的主要用途有:


(1)其水溶性顺磁络合物在医疗上可提高人体的核磁共振(NMR)成像信号。


(2)其硫氧化物可用作特殊亮度的示波管和x射线荧光屏的基质栅网。


(3)在钆镓石榴石中的钆对于磁泡记忆存储器是理想的单基片。


(4)在无Camot循环限制时,可用作固态磁致冷介质。


(5)用作控制核电站的连锁反应级别的抑制剂,以保证核反应的安全。


(6)用作钐钴磁体的添加剂,以保证性能不随温度而变化。

 

1843年瑞典的莫桑德(Karl G。Mosander)通过对钇土的研究,发现铽元素(Terbium)。铽的应用大多涉及高技术领域,是技术密集、知识密集型的尖端项目,又是具有显著经济效益的项目,有着诱人的发展前景。


主要应用领域有:

 

(1)荧光粉用于三基色荧光粉中的绿粉的激活剂,如铽激活的磷酸盐基质、铽激活的硅酸盐基质、铽激活的铈镁铝酸盐基质,在激发状态下均发出绿色光。

 

(2)磁光贮存材料,近年来铽系磁光材料已达到大量生产的规模,用Tb-Fe非晶态薄膜研制的磁光光盘,作计算机存储元件,存储能力提高10~15倍。

 

(3)磁光玻璃,含铽的法拉第旋光玻璃是制造在激光技术中广泛应用的旋转器、隔离器和环形器的关键材料。

 

10. (Dy)

1886年,法国人波依斯包德莱成功地将钬分离成两个元素,一个仍称为钬,而另一个根据从钬中“难以得到”的意思取名为镝(dysprosium)。镝目前在许多高技术领域起着越来越重要的作用。

 

镝的最主要用途是:


(1)作为钕铁硼系永磁体的添加剂使用,在这种磁体中添加2~3%左右的镝,可提高其矫顽力。

 

(2)镝用作荧光粉激活剂,三价镝是一种有前途的单发光中心三基色发光材料的激活离子,它主要由两个发射带组成,一为黄光发射,另一为蓝光发射,掺镝的发光材料可作为三基色荧光粉。

 

(3)镝是制备大磁致伸缩合金铽镝铁(Terfenol)合金的必要的金属原料,能使一些机械运动的精密活动得以实现。

 

(4)镝金属可用做磁光存贮材料,具有较高的记录速度和读数敏感度。

 

(5)用于镝灯的制备,在镝灯中采用的工作物质是碘化镝,这种灯具有亮度大、颜色好、色温高、体积小、电弧稳定等优点,已用于电影、印刷等照明光源。

 

(6)由于镝元素具有中子俘获截面积大的特性,在原子能工业中用来测定中子能谱或做中子吸收剂。

 

(7)Dy3Al5O12还可用作磁致冷用磁性工作物质。随着科学技术的发展,镝的应用领域将会不断的拓展和延伸。

 

11. (Ho)

1879年,瑞典人克利夫发现了钬元素并以瑞典首都斯德哥尔摩地名命名为钬(holmium)。

 

目前钬的主要用途有:


(1)用作金属卤素灯添加剂,金属卤素灯是一种气体放电灯,它是在高压汞灯基础上发展起来的,其特点是在灯泡里充有各种不同的稀土卤化物。目前主要使用的是稀土碘化物,在气体放电时发出不同的谱线光色。在钬灯中采用的工作物质是碘化钬,在电弧区可以获得较高的金属原子浓度,从而大大提高了辐射效能。

 

(2)钬可以用作钇铁或钇铝石榴石的添加剂;

 

(3)掺钬的钇铝石榴石(Ho:YAG)可发射2μm激光,人体组织对2μm激光吸收率高,几乎比Hd:YAG高3个数量级。所以用Ho:YAG激光器进行医疗手术时,不但可以提高手术效率和精度,而且可使热损伤区域减至更小。

 

(4)在磁致伸缩合金Terfenol-D中,也可以加入少量的钬,从而降低合金饱和磁化所需的外场。

 

(5)另外用掺钬的光纤可以制作光纤激光器、光纤放大器、光纤传感器等等光通讯器件在光纤通信迅猛的今天将发挥更重要的作用。 

 

12. (Er)

1843年,瑞典的莫桑德发现了铒元素(Erbium)。铒的光学性质非常突出,一直是人们关注的问题:

 

(1)Er3+在1550nm处的光发射具有特殊意义,因为该波长正好位于光纤通讯的光学纤维的最低损失,铒离子(Er3+)受到波长980nm、1480nm的光激发后,从基态4I15/2跃迁至高能态4I13/2,当处于高能态的Er3+再跃迁回至基态时发射出1550nm波长的光,石英光纤可传送各种不同波长的光,但不同的光光衰率不同,1550nm频带的光在石英光纤中传输时光衰减率最低(0.15分贝/公里),几乎为下限极限衰减率。因此,光纤通信在1550nm处作信号光时,光损失最小。 

 

(2)另外掺铒的激光晶体及其输出的1730nm激光和1550nm激光对人的眼睛安全,大气传输性能较好,对战场的硝烟穿透能力较强,保密性好,不易被敌人探测,照射军事目标的对比度较大,已制成军事上用的对人眼安全的便携式激光测距仪。 

 

(3)Er3+加入到玻璃中可制成稀土玻璃激光材料,是目前输出脉冲能量最大,输出功率最高的固体激光材料。

 

(4)Er3+还可做稀土上转换激光材料的激活离子。

 

(5)另外铒也可应用于眼镜片玻璃、结晶玻璃的脱色和着色等。

 

13. (Tm)

铥元素是1879年瑞典的克利夫发现的,并以斯堪迪那维亚(Scandinavia)的旧名Thule命名为铥(Thulium)。

 

铥的主要用途有以下几个方面:

 

(1)铥用作医用轻便X光机射线源,铥在核反应堆内辐照后产生一种能发射X射线的同位素,可用来制造便携式血液辐照仪上,这种辐射仪能使铥-169受到高中子束的作用转变为铥-170,放射出X射线照射血液并使白血细胞下降,而正是这些白细胞引起器官移植排异反应的,从而减少器官的早期排异反应。

 

(2)铥元素还可以应用于临床诊断和治疗肿瘤,因为它对肿瘤组织具有较高亲合性,重稀土比轻稀土亲合性更大,尤其以铥元素的亲合力最大。

 

(3)铥在X射线增感屏用荧光粉中做激活剂LaOBr:Br(蓝色),达到增强光学灵敏度,因而降低了X射线对人的照射和危害,与以前钨酸钙增感屏相比可降低X射线剂量50%,这在医学应用具有重要现实的意义。

 

(4)铥还可在新型照明光源金属卤素灯做添加剂。

 

(5)Tm3+加入到玻璃中可制成稀土玻璃激光材料,这是目前输出脉冲量最大,输出功率最高的固体激光材料。Tm3+也可做稀土上转换激光材料的激活离子。

 

14. (Yb)

1878年,查尔斯(Jean Charles)和马利格纳克(G.deMarignac)在“铒”中发现了新的稀土元素,这个元素由伊特必(Ytterby)命名为镱(Ytterbium)。

 

镱的主要用途有:


(1)作热屏蔽涂层材料。镱能明显地改善电沉积锌层的耐蚀性,而且含镱镀层比不含镱镀层晶粒细小,均匀致密。


(2)作磁致伸缩材料。这种材料具有超磁致伸缩性即在磁场中膨胀的特性。该合金主要由镱/铁氧体合金及镝/铁氧体合金构成,并加入一定比例的锰,以便产生超磁致伸缩性。


(3)用于测定压力的镱元件,试验证明,镱元件在标定的压力范围内灵敏度高,同时为镱在压力测定应用方面开辟了一个新途径。


(4)磨牙空洞的树脂基填料,以替换过去普遍使用银汞合金。


(5)日本学者成功地完成了掺镱钆镓石榴石埋置线路波导激光器的制备工作,这一工作的完成对激光技术的进一步发展很有意义。另外,镱还用于荧光粉激活剂、无线电陶瓷、电子计算机记忆元件(磁泡)添加剂、和玻璃纤维助熔剂以及光学玻璃添加剂等。 


15. (Lu)

1907年,韦尔斯巴赫和尤贝恩(G.Urbain)各自进行研究,用不同的分离方法从“镱”中又发现了一个新元素,韦尔斯巴赫把这个元素取名为Cp(Cassiopeium),尤贝恩根据巴黎的旧名lutece将其命名为Lu(Lutetium)。后来发现Cp和Lu是同一元素,便统一称为镥。

 

镥的主要用途有:


(1)制造某些特殊合金。例如镥铝合金可用于中子活化分析。


(2)稳定的镥核素在石油裂化、烷基化、氢化和聚合反应中起催化作用。


(3)钇铁或钇铝石榴石的添加元素,改善某些性能。


(4)磁泡贮存器的原料。


(5)一种复合功能晶体掺镥四硼酸铝钇钕,属于盐溶液冷却生长晶体的技术领域,实验证明,掺镥NYAB晶体在光学均匀性和激光性能方面均优于NYAB晶体。


(6)经国外有关部门研究发现,镥在电致变色显示和低维分子半导体中具有潜在的用途。此外,镥还用于能源电池技术以及荧光粉的激活剂等。

 

16. (Y)

1788年,一位以研究化学和矿物学、收集矿石的业余爱好者瑞典军官卡尔·阿雷尼乌斯(Karl Arrhenius)在斯德哥尔摩湾外的伊特必村(Ytterby),发现了外观象沥青和煤一样的黑色矿物,按当地的地名命名为伊特必矿(Ytterbite)。1794年芬兰化学家约翰·加多林分析了这种伊特必矿样品。发现其中除铍、硅、铁的氧化物外,还含有38%的未知元素的氧化物枣“新土”。1797年,瑞典化学家埃克贝格(Anders Gustaf Ekeberg)确认了这种“新土”,命名为钇土(Yttria,钇的氧化物之意)。

 

钇是一种用途广泛的金属,主要用途有:

 

(1)钢铁及有色合金的添加剂。

 

(2)含钇6%和铝2%的氮化硅陶瓷材料,可用来研制发动机部件。

 

(3)用功率400瓦的钕钇铝石榴石激光束来对大型构件进行钻孔、切削和焊接等机械加工。

 

(4)由Y-Al石榴石单晶片构成的电子显微镜荧光屏,荧光亮度高,对散射光的吸收低,抗高温和抗机械磨损性能好。

 

(5)含钇达90%的高钇结构合金,可以应用于航空和其它要求低密度和高熔点的场合。

 

(6)目前倍受人们关注的掺钇SrZrO3高温质子传导材料,对燃料电池、电解池和要求氢溶解度高的气敏元件的生产具有重要的意义。此外,钇还用于耐高温喷涂材料、原子能反应堆燃料的稀释剂、永磁材料添加剂以及电子工业中作吸气剂等。


17. (Sc)

1879年,瑞典的化学教授尼尔森(L.F.Nilson, 1840~1899)和克莱夫(P.T.Cleve, 1840~1905)差不多同时在稀有的矿物硅铍钇矿和黑稀金矿中找到了一种新元素。他们给这一元素定名为“Scandium”(钪)。


钪的主要用途有:


(1)钪能与热水作用放出氢,也易溶于酸,是一种强还原剂。


(2)钪的氧化物及氢氧化物只显碱性,但其盐灰几乎不能水解。钪的氯化物为白色结晶,易溶于水并能在空气中潮解。 


(3)在冶金工业中,钪常用于制造合金(合金的添加剂),以改善合金的强度、硬度和耐热和性能。如,在铁水中加入少量的钪,可显著改善铸铁的性能,少量的钪加入铝中,可改善其强度和耐热性。


(4)在电子工业中,钪可用作各种半导体器件,如钪的亚硫酸盐在半导体中的应用已引起了国内外的注意,含钪的铁氧体在计算机磁芯中也颇有前途。

 

(5)在化学工业上,用钪化合物作酒精脱氢及脱水剂,生产乙烯和用废盐酸生产氯时的高效催化剂。

 

(6)在玻璃工业中,可以制造含钪的特种玻璃。

 

(7)在电光源工业中,含钪和钠制成的钪钠灯,具有效率高和光色正的优点。 


(8)自然界中钪均以45Sc形式存在,另外,钪还有9种放射性同位素,即40~44Sc和46~49Sc。其中,46Sc作为示踪剂,已在化工、冶金及海洋学等方面使用。在医学上,国外还有人研究用46Sc来医治癌症。(来源:钕铁硼产业网)

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