稀土納米材料

關(guān)于稀土納米材料第1頁，講稿共25頁，2023年5月2日，星期三概念稀土元素是從18世紀末葉開始陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，當時人們常把不溶于水的固體氧化物稱為土。稀土一般是以氧化物狀態(tài)分離出來的，雖然在地球上儲量非常巨大，但冶煉提純難度較大，顯得較為稀少，得名稀土。第2頁，講稿共25頁，2023年5月2日，星期三主要元素

根據(jù)稀土元素原子電子層結(jié)構(gòu)和物理化學性質(zhì)，以及它們在礦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：輕稀土包括：鑭、鈰、鐠、釹、钷、釤、銪、釓。重稀土包括：鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥、鈧、釔。第3頁，講稿共25頁，2023年5月2日，星期三第4頁，講稿共25頁，2023年5月2日，星期三常見類型獨居石獨居石（Monazite）又名磷鈰鑭礦?；瘜W成分及性質(zhì)：（Ce，La，Y，Th）礦物成分中稀土氧化物含量可達50～68%。獨居石溶于H3PO4、HClO4、H2SO4中。晶體結(jié)構(gòu)及形態(tài)：單斜晶系，斜方柱晶類。晶體成板狀，晶面常有條紋，有時為柱、錐、粒狀。物理性質(zhì)：呈黃褐色、棕色、紅色，間或有綠色。半透明至透明。條痕白色或淺紅黃色。具有強玻璃光澤。硬度5.0～5.5。性脆。電磁性中弱。在X射線下發(fā)綠光。在陰極射線下不發(fā)光。用途：主要用來提取稀土元素。

第5頁，講稿共25頁，2023年5月2日，星期三

獨居石第6頁，講稿共25頁，2023年5月2日，星期三

鑭

鈰

第7頁，講稿共25頁，2023年5月2日，星期三氟碳鈰礦化學成分性質(zhì)：（Ce，La）。機械混入物有SiO2、Al2O3、P2O5。氟碳鈰礦易溶于稀HCl、HNO3、H2SO4、H3PO4。晶體結(jié)構(gòu)及形態(tài)：六方晶系。復三方雙錐晶類。晶體呈六方柱狀或板狀。細粒狀集合體。物理性質(zhì)：黃色、紅褐色、淺綠或褐色。玻璃光澤、油脂光澤，條痕呈白色、黃色，透明至半透明。硬度4～4.5，性脆，有時具放射性、具弱磁性。在薄片中透明，在透射光下無色或淡黃色，在陰極射線下不發(fā)光。用途：它是提取鈰族稀土元素的重要礦物原料。鈰族元素可用于制作合金，提高金屬的彈性、韌性和強度，是制作噴氣式飛機、導彈、發(fā)動機及耐熱機械的重要零件。亦可用作防輻射線的防護外殼等。第8頁，講稿共25頁，2023年5月2日，星期三氟碳鈰礦第9頁，講稿共25頁，2023年5月2日，星期三磷釔礦化學成分及性質(zhì)：Y[PO4]。成分中Y2O3

61.4%，P2O538.6%。有釔族稀土元素混入，其中以鐿、鉺、鏑、釓為主。尚有鋯、鈾、釷等元素代替釔，同時伴隨有硅代替磷。一般來說，磷釔礦中鈾的含量大于釷。磷釔礦化學性質(zhì)穩(wěn)定。晶體結(jié)構(gòu)及形態(tài)：四方晶系、復四方雙錐晶類、呈粒狀及塊狀。物理性質(zhì)：黃色、紅褐色，有時呈黃綠色，亦呈棕色或淡褐色。條痕淡褐色。玻璃光澤，油脂光澤。硬度4～5，比重4.4～5.1，具有弱的多色性和放射性。用途：大量富集時，用作提煉稀土元素的礦物原料。第10頁，講稿共25頁，2023年5月2日，星期三磷釔礦第11頁，講稿共25頁，2023年5月2日，星期三稀土納米材料材料的納米化（即變成平均粒徑1～100nm的納米粒子）將賦予材料許多不同于宏觀物質(zhì)的特性，也將成為提供新性質(zhì)、新材料的科技創(chuàng)新領(lǐng)域，為此引起了世界各國的重視。第12頁，講稿共25頁，2023年5月2日，星期三稀土元素特殊的電子構(gòu)型使其具有特殊的光、電、磁性質(zhì)。而被譽為新材料的寶庫。將稀土納米化無疑能在原有特性的基礎(chǔ)上賦予一系列新的特性，將更有利于發(fā)現(xiàn)新性質(zhì)和合成新材料，因此開展稀土納米材料的研究、應用與開發(fā)將是一次新的機遇，對于我們稀土大國具有重要的意義。第13頁，講稿共25頁，2023年5月2日，星期三稀土納米材料的應用稀土納米材料的研究與應用將有助于發(fā)現(xiàn)新性質(zhì)，開拓新材料，已成為當前的研究熱點。本文簡述了納米技術(shù)與稀土相結(jié)合形成的新型材料主要有稀土納米陶瓷、催化劑、磁性材料、光學材料、稀土化合物納米薄膜等的應用和進展。（以下內(nèi)容均來自文獻：

《稀土納米材料的研究進展》洪廣言）第14頁，講稿共25頁，2023年5月2日，星期三1、稀土納米陶瓷材料納米陶瓷具有超塑性，高的斷裂韌性，能降低燒結(jié)溫度和提高燒結(jié)速度等優(yōu)點，其原因在于利用納米粒子的粒徑小、比表面積大并具有高的擴散速率。例如，10nm的陶瓷微粒比10μm的燒結(jié)速度提高12個數(shù)量級，這是因為納米陶瓷低溫下燒結(jié)的過程主要受晶界擴散控制，就導致燒結(jié)速度由晶粒尺寸來決定。摻稀土的ZrO2是一種應用廣泛的陶瓷材料，添加Y2O3,CeO2或La2O3等稀土元素的作用在于防止ZrO2高溫相變和變脆，生成ZrO2相變增韌陶瓷結(jié)構(gòu)材料。納米Y2O3-ZrO2陶瓷具有很高的強度和韌性，可用作刀具、耐腐零件，可制成陶瓷發(fā)動機部件；用于燃料電池作為固體電解質(zhì)。第15頁，講稿共25頁，2023年5月2日，星期三2、稀土納米催化劑稀土元素及其化合物在催化上一直有著重要的應用。由于納米粒子的比表面特別大，表面能大，活性位置增加，無疑具有更強的催化作用。因此，用納米粒子作催化劑在實際上已經(jīng)引起人們的重視。作汽車尾氣凈化催化劑，稀土已具有不可替代的作用，目前正在研制全稀土汽車尾氣凈化催化劑，以降低成本和消除環(huán)境污染。第16頁，講稿共25頁，2023年5月2日，星期三3、稀土化合物納米薄膜

稀土化合物納米薄膜可分成稀土配合物納米薄膜和稀土氧化物納米薄膜兩大類。稀土氧化物納米薄膜主要采用物理法和化學法來制備，采用物理法制備稀土氧化物納米薄膜是以相應的稀土氧化物或純金屬等為前驅(qū)物，通過電子束蒸發(fā)或電子束轟擊等過程，將前驅(qū)物沉積到預置的襯底上而得到所需的稀土氧化物納米薄膜。采用物理方法制備的薄膜的機械穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性高?；瘜W法制膜主要有噴霧熱解法、化學氣相沉積法和溶膠-凝膠法等，這些方法成本低，易于操作，應用較為廣泛。第17頁，講稿共25頁，2023年5月2日，星期三稀土有機配合物具有優(yōu)良的發(fā)光性能，但其較差的光穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性限制了它們的應用，采用溶膠凝膠法將稀土配合物引入到有機-無機互穿網(wǎng)絡(luò)中，不僅解決了納米粒子的穩(wěn)定性和分散性問題，而且制成加工性能好和具有功能性質(zhì)的薄膜。已制成多種引入稀土配合物的有機-無機納米雜化薄膜，它們不僅具有良好的發(fā)光特性，而且加工性能好，有望用于電致發(fā)光薄膜。第18頁，講稿共25頁，2023年5月2日，星期三

4、稀土納米磁性材料

目前NdFeB產(chǎn)值年增長率約為18%～20%，已占永磁材料產(chǎn)值的40%，作為粘結(jié)永磁體材料的快淬NdFeB磁粉，晶粒尺寸約為20～50nm，為典型的納米晶稀土永磁材料。NdFeB永磁體的主要缺點是居里溫度偏低(TC≈593K)最高工作溫度約為450K，此外，化學穩(wěn)定性較差，易被腐蝕和氧化，價格也比鐵氧體高。當前的方向是尋求新型稀土永磁材料，另一方面是研制復合稀土永磁材料，通常軟磁鐵材料的飽和磁化強度高于永磁材料，而永磁材料的磁晶各向異性又遠高于軟磁材料，如將軟磁相與永磁相在納米尺度范圍內(nèi)進行復合，就有可能獲得具有兩者優(yōu)點的高飽和磁化強度，高矯頑力的新型稀土永磁材料。第19頁，講稿共25頁，2023年5月2日，星期三研制成功硬磁體和軟磁體結(jié)合的復合磁體，最大磁能積達到125MGOe，約為NdFeB磁體理論值(64MGOe)的2倍。此復合磁體是把厚度為2.4nm的Sm2Fe17N3（硬磁）同厚度9nm的Fe65Co35(軟磁體)交互疊合而成異相性多層膜，采用急冷凝固制成非晶合金，再經(jīng)熱處理析出納米晶的方法。也已制得了Fe3B-Nd2Fe14B納米復合粘結(jié)磁體。第20頁，講稿共25頁，2023年5月2日，星期三稀土納米磁性材料第21頁，講稿共25頁，2023年5月2日，星期三5、稀土納米光學材料

CeO2具有高折射率和高穩(wěn)定性，納米CeO2薄膜可以用于制備各種光學薄膜，如微充電電池的減反射膜，還可以做各種增透膜、保護膜和分光膜。用制成汽車玻璃抗霧薄膜，平均厚度只需30~60nm，能有效防止在汽車玻璃上形成霧氣。太陽光長期暴曬，對人體就會帶來危害，發(fā)生急性皮炎，促進皮膚老化，甚至患皮癌。日光中對皮膚造成損傷的光線是中波紫外UVB（280～320nm）和長波紫外UVA（320～400nm）。它們對皮膚的損害具有累積性且不可逆，會導致皮癌，特別是高緯度、高海拔地區(qū)。CeO2納米粒子在300～450nm范圍內(nèi)有寬的吸收帶，并隨著粒徑減小，吸收帶紅移，對紫外光第22頁，講稿共25頁，2023年5月2日，星期三

具有良好的吸收性能，可以用于制備紫外吸收材料。國外已將CeO2用于防曬霜。納米CeO2對紫外光吸收性能優(yōu)于常用的TiO2是更好的紫外吸收劑。用納米CeO2作為紫外吸收劑，可望用于防止塑料制品紫外照射老化，坦克、汽車、艦船、儲油罐等的紫外老化。納米涂層材料是近年來納米材料研究的熱點，主要的研究聚集在功能涂層上。美國采用80nm的Y2O3作為紅外屏蔽涂層，反射熱的效率很高。將稀土納米材料涂在背投電視顯示屏上，獲得出人意料的效果。第23頁，講稿共25頁，2023年5月2日，星期三6、我國目前現(xiàn)狀與未來發(fā)展：我國是稀土資源大國，資源豐富，稀土納米材料的開發(fā)應用，開辟了稀土資源有效利用的新途徑，擴展了稀土的