稀土金屬簡(jiǎn)介
稀土金屬
我國(guó)是舉世公認(rèn)的稀土資源大國(guó)。稀土工業(yè)和稀土應(yīng)用是從本世紀(jì)60年代開(kāi)始伴隨著世界性的新技術(shù)潮流而迅猛崛起的一項(xiàng)新興產(chǎn)業(yè)。稀土和稀土應(yīng)用產(chǎn)品已深入到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域,但許多人對(duì)稀土還是感到陌生。我們?cè)诖碎_(kāi)辟(北京稀土應(yīng)用園地),就是和讀者共同學(xué)習(xí)稀土的有關(guān)知識(shí),了解我國(guó)稀土資源的開(kāi)發(fā)利用情況,介紹北京地區(qū)稀土應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展展望,探討稀土在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的重要作用和宣傳國(guó)家對(duì)開(kāi)發(fā)稀土及應(yīng)用稀土的有關(guān)政策。
什么是稀土?稀土是稀土元素(或稱稀土金屬)的簡(jiǎn)稱,是17種元索組成的一個(gè)金屬大家族,第三副族中的鑭、鈰、鐠、釹、钷、釤、銪 、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥等等15個(gè)鑭系元素(擁有獨(dú)特的4f電子軌道)以及性質(zhì)與它們相近的鈧和釔。 ‘稀土’是由18世紀(jì)末被發(fā)現(xiàn)時(shí)而得名,當(dāng)時(shí)認(rèn)為它們很稀貴,其氧化 物又有難溶于水的“土性”,故稱為稀土,F(xiàn)在看來(lái),稀土在地殼中的重量百分含量(克拉克值)比銅、鉛、鋅、銀等常見(jiàn)金屬元索還要高,性質(zhì)也不像土,而是一組性質(zhì)十分活潑的金屬,但“稀土”這個(gè)奇特的名稱卻被沿用至今。
從1794年發(fā)現(xiàn)第一個(gè)稀土元素釔,到1972年發(fā)現(xiàn)自然界的稀土元素钷,歷經(jīng)178年,人們才把17種稀土元索全部在自然界中找到。今年由于工業(yè)提純和冶煉技術(shù)的發(fā)展,除元素钷以外,都能獲得高純的稀土氧化物和稀土金屬。稀土的應(yīng)用也隨著科技的發(fā)展從初級(jí)到高級(jí),從 19世紀(jì)末應(yīng)用稀土制造汽汽燈紗罩、打火石和弧光燈碳棒等初級(jí)應(yīng)用產(chǎn)品發(fā)展到現(xiàn)在把稀土廣泛應(yīng)用于彩電熒光屏、三基色節(jié)能燈、綠色高能充電電池、汽車尾氣凈化催化劑、電腦驅(qū)動(dòng)器、核磁共振成像儀、固體激光器、光纖通訊和磁懸浮列車等高科技領(lǐng)域。
我國(guó)是稀土資源最豐富的國(guó)家,稀土儲(chǔ)量和產(chǎn)量均居世界首位,在19個(gè)省市自治區(qū)都發(fā)現(xiàn)有稀土礦藏,而且礦物品種齊全。從北京沿京包鐵路西行約800公里,就到了我國(guó)著名的草原鋼城-內(nèi)蒙古包頭市,再向北行150公里,能看到一座奇特的礦山,這就是舉世聞名的白云鄂博礦(“白云鄂博”在內(nèi)蒙古語(yǔ)中是“富麗雄偉”的意思),它不但是座巨大的鐵礦山(包鋼鋼鐵原料基地),還是世界最大的稀土礦山,稀土儲(chǔ)量幾乎占世界總儲(chǔ)量的一半(以輕稀土為主),而且因稀土與鐵共生。可以隨鐵開(kāi)采綜合回收利用,生產(chǎn)成本低,市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)。在四川涼山州和山東微山地區(qū)蘊(yùn)藏著優(yōu)質(zhì)氟碳鈰鑭型輕稀土礦。廣東和臺(tái)灣沿海有豐富的獨(dú)居石型稀土礦。特別令世人矚目的是在我國(guó)南嶺地區(qū),包括江西、廣東、福建、湖南、廣西等省(自治區(qū))蘊(yùn)藏著我國(guó)所特有而又極為豐富的離子型稀土礦,它們所富含的釔、鋱等中重稀土儲(chǔ)量占世界一半以上。
稀土的分組
根據(jù)稀土元素原子電子層結(jié)構(gòu)和物理 化學(xué)性質(zhì),以及它們?cè)诘V物中共生情況和不同的離子半徑可產(chǎn)生不同性質(zhì)的特征,十七種稀土元素通常分為二組。
輕稀土(又稱鈰組)包括:鑭、鈰、鐠、釹、钷、釤、銪、釓。
重稀土(又稱釔組)包括:鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥、鈧、釔。
稱鈰組或釔組,是因?yàn)榈V物經(jīng)分離得到的稀土混合物中,常以鈰或釔占優(yōu)勢(shì)而得名。
稀土元素的主要物理化學(xué)性質(zhì)
稀土元素是典型的金屬元素。它們的金屬活潑性僅次于堿金屬和堿土金屬元素,而比其他金屬元素活潑。在17個(gè)稀土元素當(dāng)中,按金屬的活潑次序排列,由鈧,釔、鑭遞增,由鑭到镥遞減,即 鑭元素最活潑。稀土元素能形成化學(xué)穩(wěn)定的氧化物、鹵化物、硫化物。稀土元素可以和氮、 氫、碳、 磷發(fā)生反應(yīng),易溶于 鹽酸、 硫酸和硝酸中。
稀土易和氧、硫、鉛等元素化合生成熔點(diǎn)高的化合物,因此在鋼水中加入稀土,可以起到凈化鋼的效果。由于稀土元素的金屬原子半徑比鐵的原子半徑大,很容易填補(bǔ)在其晶粒及缺陷中,并生成能阻礙晶粒繼續(xù)生長(zhǎng)的膜,從而使晶粒細(xì)化而提高鋼的性能。
稀土元素具有未充滿的4f電子層結(jié)構(gòu),并由此而產(chǎn)生多種多樣的電子能級(jí)。因此,稀土可以作為優(yōu)良的熒光,激光和電光源材料以及彩色 玻璃、 陶瓷的釉料。
稀土離子與羥基、偶氮基或磺酸基等形成結(jié)合物,使稀土廣泛用于印染行業(yè)。而某些稀土元素具有中子俘獲截面積大的特性,如釤、銪、釓、鏑和鉺,可用作原子能反應(yīng)堆的控制材料和減速劑。而鈰、釔的中子俘獲截面積小,則可作為反應(yīng)堆燃料的稀釋劑。
稀土具有類似微量元素的性質(zhì),可以促進(jìn)農(nóng)作物的種子萌發(fā),促進(jìn)根系生長(zhǎng),促進(jìn)植物的光合作用。
稀土金屬的某些物理特性
原子序數(shù) |
元素 |
|
離子半 徑(埃) |
|
熔度 (℃) |
沸點(diǎn) (℃) |
氧化物 熔點(diǎn)(℃) |
|
R3+離子磁矩 (波爾磁子) |
熱中子俘獲 截面(靶) |
57 |
|
138.92 |
1.22 |
6.19 |
920±5 |
4230 |
2315 |
56.8 |
0.00 |
8.9 |
58 |
Ce |
140.13 |
1.18 |
6.768 |
804±5 |
2930 |
1950 |
75.3 |
2.56 |
0.7 |
59 |
|
140.92 |
1.16 |
6.769 |
935±5 |
3020 |
2500 |
68.0 |
3.62 |
11.2 |
60 |
|
144.27 |
1.15 |
7.007 |
1024±5 |
3180 |
2270 |
64.3 |
3.68 |
46 |
61 |
Pm |
147.00 |
1.14 |
- |
- |
- |
- |
- |
2.83 |
- |
62 |
|
150.35 |
1.13 |
7.504 |
1052±5 |
1630 |
2350 |
88.0 |
1.55~1.65 |
5500 |
63 |
Eu |
152.00 |
1.13 |
5.166 |
826±10 |
1490 |
2050 |
81.3 |
3.40~3.50 |
4600 |
64 |
Gd |
157.26 |
1.11 |
7.868 |
1350±20 |
2730 |
2350 |
140.5 |
7.94 |
46000 |
65 |
Tb |
158.93 |
1.09 |
8.253 |
1336 |
2530 |
2387 |
- |
9.7 |
44 |
66 |
Dy |
162.51 |
1.07 |
8.565 |
1485±20 |
2330 |
2340 |
56.0 |
10.6 |
1100 |
67 |
Ho |
164.94 |
1.05 |
8.799 |
1490 |
2330 |
2360 |
87.0 |
10.6 |
64 |
68 |
Er |
167.27 |
1.04 |
9.058 |
1500~1550 |
2630 |
2355 |
107.0 |
9.6 |
166 |
69 |
Tm |
168.94 |
1.04 |
9.318 |
1500~1600 |
2130 |
2400 |
79.0 |
7.6 |
118 |
70 |
Yb |
173.04 |
1.00 |
6.959 |
824±5 |
1530 |
2346 |
27.0 |
4.5 |
36 |
71 |
Lu |
174.99 |
0.99 |
9.849 |
1650~1750 |
1930 |
2400 |
79.0 |
0.00 |
108 |
21 |
Sc |
44.97 |
0.83 |
2.995 |
1550~1600 |
2750 |
- |
- |
- |
13 |
39 |
Y |
88.92 |
1.06 |
4.472 |
1552 |
3030 |
2680 |
- |
- |
1.27 |
17種稀土元素名稱的由來(lái)及用途
鑭(La)
“鑭”這個(gè)元素是1839年被命名的,當(dāng)時(shí)有個(gè)叫“莫桑德”的瑞典人發(fā)現(xiàn)鈰土中含有其它元素,他借用希臘語(yǔ)中“隱藏”一詞把這種元素取名為“鑭”。從此,鑭便登上了歷史舞臺(tái)。 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(guó)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)“鈰”這個(gè)元素是由德國(guó)人克勞普羅斯,瑞典人烏斯伯齊力、希生格爾于1803年發(fā)現(xiàn)并命名的,以紀(jì)念1801年發(fā)現(xiàn)的小行星——谷神星。 鈰廣泛應(yīng)用于(1)鈰作為玻璃添加劑,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 氧化鈰,1996年用于汽車玻璃的氧化鈰至少有2000噸,美國(guó)約一千多噸。(2)目前正將鈰應(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(guó)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)硫化鈰可以取代鉛、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(guó)羅納普朗克公司。(4)Ce:LiSAF激光系統(tǒng)是美國(guó)研制出來(lái)的固體激光器,通過(guò)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)。鈰應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛,幾乎所有的稀土應(yīng)用領(lǐng)域中都含有鈰。如拋光粉、儲(chǔ)氫材料、熱電材料、鈰 鎢電極、陶瓷 電容器、壓電陶瓷、鈰 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。
鐠(Pr)
大約160年前,瑞典人莫桑德從鑭中發(fā)現(xiàn)了一種新的元素,但它不是單一元素,莫桑德發(fā)現(xiàn)這種元素的性質(zhì)與鑭非常相似,便將其定名為“ 鐠釹”!扮掆S”希臘語(yǔ)為“雙生子”之意。大約又過(guò)了40多年,也就是發(fā)明汽燈紗罩的1885年,奧地利人韋爾斯巴赫成功地從“鐠釹”中分離出了兩個(gè)元素,一個(gè)取名為“釹”,另一個(gè)則命名為“鐠”。這種“雙生子”被分隔開(kāi)了, 鐠元素也有了自己施展才華的廣闊天地。 鐠是用量較大的稀土元素,其主要用于玻璃、陶瓷和磁性材料中。(1)鐠被廣泛應(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)的鐠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。以鐠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(guó)70年代開(kāi)始投入工業(yè)使用,用量不斷增大。(4)鐠還可用于磨料拋光。另外,鐠在光纖領(lǐng)域的用途也越來(lái)越廣。
釹(Nd)
伴隨著鐠元素的誕生, 釹元素也應(yīng)運(yùn)而生,釹元素的到來(lái)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)。 釹元素憑借其在稀土領(lǐng)域中的獨(dú)特地位,多年來(lái)成為市場(chǎng)關(guān)注的熱點(diǎn)。 金屬釹的最大用戶是釹鐵 硼永磁材料。釹鐵硼永磁體的問(wèn)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(guó)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)
1947年,馬林斯基(J.A.Marinsky)、格倫丹寧(L.E.Glendenin)和科里爾(C.E.Coryell)從原子能反應(yīng)堆用過(guò)的鈾燃料中成功地分離出61號(hào)元素,用希臘神話中的神名普羅米修斯(Prometheus)命名為钷(Promethium)。 钷為核反應(yīng)堆生產(chǎn)的人造放射性元素。钷的主要用途有(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β射線,用于制造钷電池。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,钷還用于便攜式X-射線儀、制備熒光粉、度量厚度以及航標(biāo)燈中。
釤(Sm)
1879年,波依斯包德萊從 鈮釔礦得到的“鐠釹”中發(fā)現(xiàn)了新的稀土元素,并根據(jù)這種礦石的名稱命名為釤。 釤呈淺黃色,是做釤 鈷系永磁體的原料,釤鈷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。現(xiàn)在是以后者的需求為主。釤鈷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)
1901年,德馬凱(Eugene-Antole Demarcay)從“釤”中發(fā)現(xiàn)了新元素,取名為銪(Europium)。這大概是根據(jù)歐洲(Euro PE)一詞命名的。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,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(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)
1880年,瑞士的馬里格納克(G.de Marign AC)將“釤”分離成兩個(gè)元素,其中一個(gè)由索里特證實(shí)是釤元素,另一個(gè)元素得到波依斯包德萊的 研究確認(rèn),1886年,馬里格納克為了紀(jì)念釔元素的發(fā)現(xiàn)者 研究稀土的先驅(qū)荷 蘭化學(xué)家加多林(Gado Linium),將這個(gè)新元素命名為釓。 釓在現(xiàn)代技革新中將起重要作用。它的主要用途有:(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)在釓 鎵石榴石中的釓對(duì)于磁泡記憶存儲(chǔ)器是理想的單基片。(4)在無(wú)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)用作釤鈷磁體的添加劑,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。氧化釓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(kāi)發(fā)釓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、金屬釓或其合金為致冷介質(zhì)的磁 冰箱已經(jīng)問(wèn)世。
鋱(Tb)
1843年瑞典的莫桑德(Karl G.Mosander)通過(guò)對(duì)釔土的研究,發(fā)現(xiàn) 鋱?jiān)?/FONT>(Terbium)。鋱的應(yīng)用大多涉及高技術(shù)領(lǐng)域,是技術(shù)密集、知識(shí)密集型的尖端項(xiàng)目,又是具有顯著經(jīng)濟(jì)效益的項(xiàng)目,有著誘人的發(fā)展前景。主要應(yīng)用領(lǐng)域有:(1)熒光粉用于三基色熒光粉中的綠粉的激活劑,如鋱激活的 磷酸鹽基質(zhì)、鋱激活的 硅酸鹽基質(zhì)、鋱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(lái)鋱系磁光材料已達(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(pán),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,含鋱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。特別是鋱鏑鐵磁致伸縮合金(TerFenol)的開(kāi)發(fā)研制,更是開(kāi)辟了鋱的新用途,Terfenol是70年代才發(fā)現(xiàn)的新型材料,該合金中有一半成份為鋱和鏑,有時(shí)加入鈥,其余為鐵,該合金由美國(guó)依阿華州阿姆斯實(shí)驗(yàn)室首先研制,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)。鋱鏑鐵開(kāi)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、太空望遠(yuǎn)鏡的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和 飛機(jī)機(jī)翼調(diào)節(jié)器等領(lǐng)域。
鏑(Dy)
1886年,法國(guó)人波依斯包德萊成功地將鈥分離成兩個(gè)元素,一個(gè)仍稱為鈥,而另一個(gè)根據(jù)從鈥中“難以得到”的意思取名為鏑(dysprosium)。鏑目前在許多高技術(shù)領(lǐng)域起著越來(lái)越重要的作用,鏑的最主要用途是(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(guò)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(lái)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。
鈥(Ho)
十九世紀(jì)后半葉,由于光譜分析法的發(fā)現(xiàn)和元素周期 表的發(fā)表,再加上稀土元素電化學(xué)分離工藝的進(jìn)展,更加促進(jìn)了新的稀土元素的發(fā)現(xiàn)。1879年,瑞典人克利夫發(fā)現(xiàn)了鈥元素并以瑞典首都斯德哥爾摩地名命名為鈥(holmium)。 鈥的應(yīng)用領(lǐng)域目前還有待于進(jìn)一步開(kāi)發(fā),用量不是很大,最近,包鋼稀土研究院采用高溫高真空蒸餾提純技術(shù),研制出非稀土雜質(zhì)含量很低的高純金屬鈥Ho/ΣRE>99.9%。目前鈥的主要用途有: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(lái)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。在鈥燈中采用的工作物質(zhì)是碘化鈥,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)鈥可以用作釔鐵或釔鋁石榴石的添加劑;(3)摻鈥的釔鋁石榴石(Ho:YAG)可發(fā)射2μm激光,人體組織對(duì)2μm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。鈥晶體產(chǎn)生的自由光束可消除脂肪而不會(huì)產(chǎn)生過(guò)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(guó)用鈥激光治療青光 眼,可以減少患者手術(shù)的痛苦。我國(guó)2μm激光晶體的水平已達(dá)到國(guó)際水平,應(yīng)大力開(kāi)發(fā)生產(chǎn)這種激光晶體。(4)在磁致伸縮合金Terfenol-D中,也可以加入少量的鈥,從而降低合金飽和磁化所需的外場(chǎng)。(5)另外用摻鈥的光纖可以制作 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)
1843年,瑞典的莫桑德發(fā)現(xiàn)了鉺元素(Erbium)。鉺的光學(xué)性質(zhì)非常突出,一直是人們關(guān)注的問(wèn)題:(1)Er3+在1550nm處的光發(fā)射具有特殊意義,因?yàn)樵摬ㄩL(zhǎng)正好位于光纖通訊的光學(xué)纖維的最低損失,鉺離子(Er3+)受到波長(zhǎng)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+再躍遷回至基態(tài)時(shí)發(fā)射出1550nm波長(zhǎng)的光,石英光纖可傳送各種不同波長(zhǎng)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)濃度的鉺摻入合適的基質(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(zhǎng)1550nm 光信號(hào)的電訊 網(wǎng)絡(luò)中,摻鉺光纖放大器是必不可少的光學(xué)器件,目前摻鉺的 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(wú)用的吸收,光纖中鉺的摻雜量幾十至幾百 PPm。光纖通信的迅猛發(fā)展,將開(kāi)辟鉺的應(yīng)用新領(lǐng)域。(2)另外摻鉺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)另外鉺也可應(yīng)用于眼鏡片玻璃、結(jié)晶玻璃的脫色和著色等。
銩(Tm)
銩元素是1879年瑞典的克利夫發(fā)現(xiàn)的,并以斯堪迪那維亞(Scandinavia)的舊名Thule命名為銩(Thulium)。 銩的主要用途有以下幾個(gè)方面:(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(lái)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。
鐿(Yb)
1878年,查爾斯(Jean Charles)和馬利格納克(G.de Marignac)在“鉺”中發(fā)現(xiàn)了新的稀土元素,這個(gè)元素由伊特必(Ytterby)命名為鐿(Ytterbium)。 鐿的主要用途有(1)作熱屏蔽涂層材料。鐿能明顯地改善電沉積鋅層的耐蝕性,而且含鐿鍍層比不含鐿鍍層晶粒細(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。該合金主要由鐿/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)定壓力的鐿元件,試驗(yàn)證明,鐿元件在標(biāo)定的壓力范圍內(nèi)靈敏度高,同時(shí)為鐿在壓力測(cè)定應(yīng)用方面開(kāi)辟了一個(gè)新途徑。(4)磨牙空洞的 樹(shù)脂基填料,以替換過(guò)去普遍使用銀汞合金。(5)日本學(xué)者成功地完成了摻鐿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,鐿還用于熒光粉激活劑、無(wú)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)
1907年,韋爾斯巴赫和尤貝恩(G.Urbain)各自進(jìn)行研究,用不同的分離方法從“鐿”中又發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新元素,韋爾斯巴赫把這個(gè)元素取名為Cp(C ASSiopeium),尤貝恩根據(jù)巴黎的舊名lutece將其命名為L(zhǎng)u(Lute tium)。后來(lái)發(fā)現(xiàn)Cp和Lu是同一元素,便統(tǒng)一稱為镥。 镥的主要用途有(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(zhǎng)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(guó)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。
釔(Y)
1788年,一位以研究化學(xué)和礦物學(xué)、收集礦石的業(yè)余愛(ài)好者瑞典軍官卡爾·阿雷尼烏斯(Karl Arrhenius)在斯德哥爾摩灣外的伊特必村(Ytterby),發(fā)現(xiàn)了外觀象 瀝青和 煤一樣的黑色礦物,按當(dāng)?shù)氐牡孛麨橐撂乇氐V(Ytterb ITe)。1794年芬蘭化學(xué)家約翰·加多林分析了這種伊特必礦樣品。發(fā)現(xiàn)其中除鈹、 硅、鐵的氧化物外,還含有約38%的未知元素的氧化物棗“新土”。1797年,瑞典化學(xué)家埃克貝格(Anders Gus Taf Ekeberg)確認(rèn)了這種“新土”,命名為釔土(Yttria,釔的氧化物之意)。 釔是一種用途廣泛的金屬,主要用途有:(1)鋼鐵及有色合金的添加劑。Fe CR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,合金的綜合性能得到明顯的改善,可以替代部分中強(qiáng)鋁合金用于飛機(jī)的受力構(gòu)件上;在Al-Zr合金中加入少量富釔稀土,可提高合金導(dǎo)電率;該合金已為國(guó)內(nèi)大多數(shù) 電線廠采用;在 銅合金中加入釔,提高了導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度。(2)含釔6%和鋁2%的氮化硅陶瓷材料,可用來(lái)研制 發(fā)動(dòng)機(jī)部件。(3)用功率400瓦的釹釔鋁石榴石激光束來(lái)對(duì)大型構(gòu)件進(jìn)行鉆孔、切削和焊接等機(jī)械加工。(4)由Y- Al石榴石單晶片構(gòu)成的電子顯微鏡熒光屏,熒光亮度高,對(duì)散射光的吸收低,抗高溫和抗機(jī)械磨損性能好。(5)含釔達(dá)90%的高釔結(jié)構(gòu)合金,可以應(yīng)用于 航空和其它要求低密度和高熔點(diǎn)的場(chǎng)合。(6)目前倍受人們關(guān)注的摻釔SrZrO3高溫質(zhì)子傳導(dǎo)材料,對(duì)燃料電池、電解池和要求氫溶解度高的氣敏元件的生產(chǎn)具有重要的意義。此外,釔還用于耐高溫 噴涂材料、原子能反應(yīng)堆燃料的稀釋劑、永磁材料添加劑以及電子工業(yè)中作吸氣劑等。
鈧(Sc)
1879年,瑞典的化學(xué)教授尼爾森(L.F.Nilson, 1840~1899)和克萊夫(P.T.Cleve, 1840~1905)差不多同時(shí)在稀有的礦物硅鈹釔礦和黑稀金礦中找到了一種新元素。他們給這一元素定名為“Scandium”(鈧),鈧就是門捷列夫當(dāng)初所預(yù)言的“類硼”元素。他們的發(fā)現(xiàn)再次證明了元素周期律的正確性和門捷列夫的遠(yuǎn)見(jiàn)卓識(shí)。 鈧比起釔和鑭系元素來(lái),由于離子半徑特別小,氫氧化物的堿性也特別弱,因此,鈧和稀土元素混在一起時(shí),用氨(或極稀的堿)處理,鈧將首先析出,故應(yīng)用“分級(jí)沉淀”法可比較容易地把它從稀土元素中分離出來(lái)。另一種方法是利用硝酸鹽的分極分解進(jìn)行分離,由于硝酸鈧最容易分解,從而達(dá)到分離的目的。 用電解的方法可制得金屬鈧,在煉鈧時(shí)將ScCl3、 KCl、L ICl共熔,以熔融的鋅為陰極電解之,使鈧在鋅極上析出,然后將鋅蒸去可得金屬鈧。另外,在加工礦石生產(chǎn)鈾、釷和鑭系元素時(shí)易回收鈧。鎢、 錫礦中綜合回收伴生的鈧也是鈧的重要來(lái)源之一。 鈧在化合物中主要呈3價(jià)態(tài),在空氣中容易氧化成 Sc2O3而失去金屬光澤變成暗灰色。 鈧能與熱水作用放出氫,也易溶于酸,是一種強(qiáng)還原劑。 鈧的氧化物及氫氧化物只顯堿性,但其鹽灰?guī)缀醪荒芩。鈧?A target=_new> 氯化物為白色結(jié)晶,易溶于水并能在空氣中潮解。 在冶金工業(yè)中,鈧常用于制造合金(合金的添加劑),以改善合金的強(qiáng)度、硬度和耐熱和性能。如,在鐵水中加入少量的鈧,可顯著改善鑄鐵的性能,少量的鈧加入鋁中,可改善其強(qiáng)度和耐熱性。 在電子工業(yè)中,鈧可用作各種半導(dǎo)體器件,如鈧的亞硫酸鹽在半導(dǎo)體中的應(yīng)用已引起了國(guó)內(nèi)外的注意,含鈧的鐵氧體在計(jì)算機(jī)磁芯中也頗有前途。 在化學(xué)工業(yè)上,用鈧化合物作 酒精脫氫及脫水劑,生產(chǎn) 乙烯和用廢鹽酸生產(chǎn)氯時(shí)的高效催化劑。 在玻璃工業(yè)中,可以制造含鈧的特種玻璃。 在電光源工業(yè)中,含鈧和鈉制成的鈧鈉燈,具有效率高和光色正的優(yōu)點(diǎn)。 自然界中鈧均以45Sc形式存在,另外,鈧還有9種放射性同位素,即40~44Sc 和46~49Sc。其中,46Sc作為示蹤劑,已在化工、冶金及海洋學(xué)等方面使用。在醫(yī)學(xué)上,國(guó)外還有人研究用46Sc來(lái)醫(yī)治癌癥。鈧的性質(zhì)及用途。
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