稀土新材料及其在高技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用.doc

稀土新材料及其在高技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用陳占恒摘要：本文簡要敘述了稀土新材料及其在高技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，并進(jìn)行了簡要分析，認(rèn)為提高我國稀土產(chǎn)業(yè)自身高技術(shù)應(yīng)用水平以及開發(fā)稀土新材料及其在高技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用技術(shù)是實現(xiàn)稀土資源優(yōu)勢向經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢轉(zhuǎn)化的根本出路。關(guān)鍵詞：稀土；稀土新材料；高技術(shù)應(yīng)用稀土元素獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，決定了它們具有極為廣泛的用途。稀土元素具有獨(dú)特的4f電子結(jié)構(gòu)，大的原子磁距，很強(qiáng)的自旋軌道耦合等特性，與其它元素形成稀土配合物時，配位數(shù)可在312之間變化，并且稀土化合物的晶體結(jié)構(gòu)也是多樣化的。在新材料領(lǐng)域，稀土元素豐富的光學(xué)、電學(xué)及磁學(xué)特性得到了廣泛應(yīng)用。在高技術(shù)領(lǐng)域，稀土新材料發(fā)揮著重要的作用。稀土新材料主要包括稀土永磁材料、稀土發(fā)光材料、稀土貯氫材料、稀土催化劑材料、稀土陶瓷材料及其它稀土新材料如稀土超磁致伸縮材料、巨磁阻材料、磁致冷材料、光致冷材料、磁光存儲材料等。1稀土永磁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-鈷永磁材料：SmCo5、Sm2Co17;(2)稀土-鐵永磁材料：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)用的時間順序可分為第一代(15型SmCo5)、第二代(27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。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格很快在許多領(lǐng)域取代了Sm2Co17型稀土永磁體，并很快實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。日本已開發(fā)出了磁能積為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、計算機(jī)、家電等領(lǐng)域。中國NdFeB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)只集中于幾個大廠，其產(chǎn)品多為40MGOe以上產(chǎn)品，多用于計算機(jī)VCM、新型電機(jī)、MRI等高技術(shù)領(lǐng)域。中國NdFeB產(chǎn)業(yè)只有實現(xiàn)規(guī)模化、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。2稀土發(fā)光和激光材料稀土發(fā)光材料的優(yōu)點(diǎn)是吸收能力強(qiáng)，轉(zhuǎn)換率高，可發(fā)射從紫外到紅外的光譜，在可見光區(qū)域，有很強(qiáng)的發(fā)射能力，且物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。稀土發(fā)光材料因其激發(fā)方式不同又可分為稀土陰極射線發(fā)光材料、稀土光致發(fā)光材料、X射線稀土發(fā)光材料、稀土閃爍體、稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料及其它稀土功能發(fā)光材料。目前，稀土發(fā)光材料主要用于彩電顯像管、計算機(jī)顯示器、照明、醫(yī)療設(shè)備等方面。稀土發(fā)光材料用量最大的是彩電顯像管、計算機(jī)顯示器、稀土三基色節(jié)能燈、PDP等離子顯示屏。彩電顯像管和計算機(jī)顯示器使用的稀土發(fā)光材料屬陰極射線發(fā)光材料。目前彩管中紅粉普遍使用的是銪激活的硫氧化釔Y2O2SEu磷光體，粒度68m，計算機(jī)顯示器要求發(fā)光材料提供高亮度、高對比度和清晰度，其紅粉也采用Y2O2SEu,但Eu含量要高一些，綠粉為Tb3+激活的稀土硫氧化物 Y2O2STb,Dy及Gd2O2STb,Dy高效綠色熒光體，粒度為46m。有消息報導(dǎo)說藍(lán)粉也將由稀土發(fā)光材料取代鋅、鍶硫化物粉2。大屏幕投影電視的紅粉也為Y2O2SEu，綠粉為Tb激活的稀土發(fā)光材料。投影電視用熒光粉每年可消費(fèi)數(shù)噸稀土氧化物。PDP等離子顯示屏中的稀土發(fā)光材料為電致發(fā)光材料，紅色為ZnSiNdF3、ZnSiSmF3和ZnSiEuF3薄膜，綠色為ZnSiTbF3、ZnSiErF3和ZnSiHoF3薄膜，由于藍(lán)色發(fā)光材料ZnSiTmF3亮度很低，因而使用了不含稀土的ZnSiAg。PDP屬平板顯示技術(shù)，隨著市場對PDP電視需求的增加，稀土的消費(fèi)會進(jìn)一步擴(kuò)大。稀土發(fā)光材料的另一項重要應(yīng)用是稀土三基色節(jié)能燈，它使用的稀土三基色熒光粉是光致發(fā)光材料，稀土節(jié)能燈發(fā)光效率高，節(jié)約電力，其開發(fā)應(yīng)用受到世界各國重視。此外，還有稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料，廣泛用于紅外探測。某些上轉(zhuǎn)換稀土發(fā)光材料如BaYF5Yb,Er可將紅外線轉(zhuǎn)換成可見光，夜視鏡中使用的就是這種材料。稀土激光材料是與激光同時誕生的，稀土是激光工作物質(zhì)中很重要的元素，90%的激光材料都與稀土有關(guān)。稀土激光材料可分為固體、液體和氣體三大類，以稀土固體激光材料的應(yīng)用最廣。稀土固體激光材料又可以分為晶體、玻璃、光纖及化學(xué)計量激光材料。稀土激光材料廣泛用于通訊、醫(yī)療、信息儲存、切割和焊接等方面。稀土光纖激光材料在現(xiàn)代光纖通訊的發(fā)展中起著重要作用。光信號直接放大技術(shù)是為補(bǔ)償長距離傳送過程中光衰減而開發(fā)的。摻鉺光纖放大器(EDFA)的開發(fā)應(yīng)用及其它高技術(shù)的發(fā)展，使現(xiàn)代光纖通信取得了長足的進(jìn)步。稀土在光纖中用量很少，世界總用量僅為公斤級，但所起的作用是決定性的。3稀土貯氫材料貯氫材料的開發(fā)使氫作為能源實用化成為可能。在能源短缺和環(huán)境污染日益嚴(yán)重的今天，貯氫材料的開發(fā)與應(yīng)用自然成為研究的熱點(diǎn)。稀土與過渡族元素的金屬間化合物MMNi5(MM為混合稀土金屬)及LaNi5是優(yōu)良的吸氫材料，可用作氫的提純、分離和回收。稀土貯氫材料的另一項重要應(yīng)用是可以被用作Ni/MH電池的陰極材料。鎳氫電池與傳統(tǒng)的鎳鎘電池相比，其能量密度提高兩倍，且無污染，被稱為綠色能源。Ni/MH電池應(yīng)用廣泛，如筆記本電腦、計算機(jī)、攝像機(jī)、收錄機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、通訊器材等，還有一項潛在的重要用途為電動汽車。4稀土催化劑材料稀土催化劑材料已廣泛應(yīng)用于石油裂化、合成橡膠、石油化工及汽車尾氣凈化等領(lǐng)域中。目前由于我國對環(huán)保的重視，對空氣污染治理措施加強(qiáng)，刺激了汽車尾氣凈化器的市場需求，汽車尾氣催化劑材料的開發(fā)應(yīng)用進(jìn)一步受到重視。采用鉑銠等貴金屬的催化劑活性高，凈化效果好，但價格昂貴，而稀土汽車尾氣催化劑因其價格低，熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好，活性較高，壽命長，抗Pb、S中毒，極受重視。汽車尾氣中的主要污染物為CO、HC、NOx。調(diào)查表明，城市污染的主要來源是汽車尾氣，有效控制汽車尾氣污染物含量是提高空氣質(zhì)量的主要途徑。在一定條件下，貴金屬催化劑和稀土催化劑可以同時凈化CO、HC和NO。此外在催化劑載體中加入La、Ce、Y等稀土元素還能提高載體的高溫?zé)岱€(wěn)定性、機(jī)械性能、抗高溫氧化性能。美國汽車催化劑消費(fèi)量可觀，1995年消費(fèi)稀土占其當(dāng)年總稀土消費(fèi)量的44%，達(dá)到11000噸，1997年美國各種催化劑中的稀土占其消費(fèi)總量的65%(汽車尾氣和石油裂化)，達(dá)到12045噸。我國對稀土汽車尾氣凈化催化劑的需求尚未形成規(guī)模，但隨著國家對治理環(huán)境污染的重視及相關(guān)政策的制定，稀土汽車尾氣催化材料必將得到廣泛應(yīng)用，并成為我國稀土應(yīng)用的又一重要領(lǐng)域，從而帶動稀土工業(yè)的發(fā)展。5稀土功能陶瓷和高溫結(jié)構(gòu)陶瓷稀土陶瓷材料中稀土元素是以摻雜的形式出現(xiàn)的，微量的稀土摻雜可以極大地改變陶瓷材料的燒結(jié)性能、微觀結(jié)構(gòu)、致密度、相組成及物理和機(jī)械性能。稀土功能陶瓷包括絕緣材料(電、熱)、電容器介電材料、鐵電和壓電材料、半導(dǎo)體材料、超導(dǎo)材料、電光陶瓷材料、熱電陶瓷材料、化學(xué)吸附材料等，還有固體電解質(zhì)材料。在傳統(tǒng)的壓電陶瓷材料如PbTiO3、PbZrxTi1-xO3(PZT)中摻雜微量稀土氧化物如Y2O3、La2O3、Sm2O3、CeO2、Nd2O3等可以大大改善這些材料的介電性和壓電性，使它們更適應(yīng)實際需要，現(xiàn)在PZT壓電陶瓷已廣泛地用于電聲、水聲、超聲器件、信號處理、紅外技術(shù)、引燃引爆、微型馬達(dá)等方面。由壓電陶瓷制成的傳感器已成功用于汽車空氣囊保護(hù)系統(tǒng)。在移動電話和計算機(jī)中使用了大量的多層陶瓷電容器，稀土元素如La、Ce、Nd在其中發(fā)揮著重要作用。對稀土半導(dǎo)體陶瓷的研究十分活躍，這種材料主要有BaTiO3基摻雜稀土和SrTiO3基摻雜稀土，稀土摻雜在這種效應(yīng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，PTC熱敏半導(dǎo)材料可用作過電過熱保護(hù)元件、溫度補(bǔ)償器、溫度傳感器、延時元件、消磁元件等。稀土高溫超導(dǎo)材料也是國際上的熱門研究課題。由于稀土氧化物L(fēng)a-Ba-Cu-O系超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)及其以后的研究，超導(dǎo)材料的居里溫度Tc有了很大提高。我國在高溫超導(dǎo)研究方面處于國際領(lǐng)先地位，Y-Ba-Cu-O體系的制備技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)及應(yīng)用基礎(chǔ)研究取得了不同程度的進(jìn)展，RE-Ba-Cu-O超導(dǎo)體的Tc為8090K，此外我國還合成了堿金屬系稀土摻雜超導(dǎo)體如(Sr,Nd)CuO2和Sr1-xYxCuO26。超導(dǎo)材料應(yīng)用廣泛，可用作超導(dǎo)電磁體用于磁懸浮列車，可用于發(fā)電機(jī)、發(fā)動機(jī)、動力傳輸、微波等方面。稀土高溫結(jié)構(gòu)陶瓷，主要指摻雜稀土的Si3N4、SiC、ZrO2等耐高溫、高強(qiáng)度、高韌性陶瓷，是工程陶瓷。摻雜稀土(La、Y)的Si3N4陶瓷及其復(fù)合材料可用于高溫燃?xì)廨啓C(jī)、陶瓷發(fā)動機(jī)、高溫軸承等高技術(shù)領(lǐng)域，其工作溫度最高可達(dá)1650。氮化硅陶瓷軸承可用于一些特殊環(huán)境如有電磁場的環(huán)境，其溫度適應(yīng)范圍為-40+200，并可在無法潤滑的環(huán)境中使用。而摻雜稀土的ZrO2增韌陶瓷可用作耐磨材料如內(nèi)燃機(jī)零部件、刀片、模具鑲嵌件、計算機(jī)驅(qū)動元件、密封件與陶瓷軸承等。6其它稀土新材料稀土新材料家族成員眾多，難以詳述。除以上提及的幾類稀土新材料外，還有以下一些不同用途的稀土新材料，如稀土超磁致伸縮材料、磁致冷材料、稀土磁光存儲材料、巨磁阻材料、光致冷材料、稀土發(fā)熱材料等。 磁致伸縮材料應(yīng)用極其廣泛，如聲納系統(tǒng)、飛機(jī)燃料系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、地震探測系統(tǒng)、有源振動控制系統(tǒng)等，最典型的應(yīng)用是水下通訊中聲納傳感器的換能器。磁致冷材料是用于致冷系統(tǒng)的具有磁熱效應(yīng)的物質(zhì)。目前一種新型磁致冷材料Gd5Si4Ge2已被開發(fā)出來，其優(yōu)點(diǎn)是磁熱效應(yīng)大，且使用溫度可以從30K左右調(diào)整到290K。美國已成功開發(fā)出第一臺室溫磁致冷樣機(jī)。用磁致冷材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)制冷劑，不僅可以減少環(huán)境污染，還可以節(jié)約電能，且致冷材料可以重復(fù)使用。也許有一天冰箱和空調(diào)機(jī)中也會采用磁致冷機(jī)。稀土磁光存儲材料是稀土與過渡金屬的非晶態(tài)薄膜RE-TM(RE=Gd,Dy,TM=Fe,Co)。這種材料被用作磁光盤MO，可隨機(jī)讀寫信息，容量極大(可達(dá)2.6GB)，讀寫速度快。磁光存儲材料在信息時代發(fā)揮著重要作用。巨磁阻材料的研究近幾年來引起了人們極大的興趣。磁阻即對某種材料施加磁場后其電阻率發(fā)生改變。巨磁阻材料與傳統(tǒng)磁阻材料相比，其電阻率的改變要大于10%。7結(jié)語稀土新材料種類繁多，用途甚廣，隨著研究與開發(fā)的進(jìn)一步深入，新的稀土新材料將會不斷涌現(xiàn)。稀土家族確實是一組神奇的元素，它們在眾多新材料中起著十分重要的作用，與現(xiàn)代高科0技的發(fā)展關(guān)系極為密切。稀土新材料在能源、環(huán)境、信息等諸多領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。但總的來講，我國在稀土新材料的開發(fā)應(yīng)用方面與日、美等發(fā)達(dá)國家相比還有相當(dāng)大的差距，許多材料的研究與開發(fā)處于跟蹤模仿狀態(tài)。在應(yīng)用方面，在將科研成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力方面，我們的速度趕不上日本。從某種角度講，稀土新材料的研究開發(fā)應(yīng)用水平，標(biāo)志著一個國家高科技發(fā)展水平，也是一種綜合國力的象征。與美、日、法等發(fā)達(dá)國家相比，雖然我國在稀土新材料的研究、開發(fā)、應(yīng)用方面有一定差距，但在黨和政府的關(guān)懷下，近些年我國稀土工業(yè)的發(fā)展速度很快，稀土的研究與開發(fā)也取得長足的進(jìn)步，應(yīng)用水平也在逐漸提高，基礎(chǔ)研究正在加強(qiáng)。中國是稀土資源最豐富的國家，我們的目標(biāo)就是要將資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。要實現(xiàn)這一目標(biāo)，根本出路在于提高我國稀土產(chǎn)業(yè)自身高科技應(yīng)用水平，提高稀土產(chǎn)品質(zhì)量，并進(jìn)一步開發(fā)稀土新材料在高科技領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)。稀土產(chǎn)業(yè)是一個很有前途的產(chǎn)業(yè)，隨著稀土高科技的產(chǎn)業(yè)化，我國稀土工業(yè)的明天會更好。作者簡介：陳占恒（1968-）,男,碩士,中國稀土學(xué)會辦公室高級工程師作者單位：陳占恒（中國稀土學(xué)會辦公室，北京100081）參考文獻(xiàn)：1徐光憲主編.稀土(第2版)M.北京：冶金工業(yè)出版社，1978.2歐陽世翕.稀土在高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用及發(fā)展J.稀土信息，1999,(5):8.3Yu Zong-sen,Chen Min-bo.Rare earth elements and their applicationM.Beijing:Metallurgical Industry Press,1995.199.4張曉，劉行仁.SrF2晶體中Ho3+-Ho3+離子對的上轉(zhuǎn)換發(fā)光研究J.中國稀土學(xué)報，199