山東埃爾派 | 點擊量：0次 | 2020-11-27
詳盡解析17種稀土元素的應用！
摘要
稀土就是化學元素周期表中鑭系元素—鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、钷(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、镥(Lu
稀土就是化學元素周期表中鑭系元素—鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、钷(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、镥(Lu)，以及與鑭系的15個元素密切相關的兩個元素——鈧(Sc)和釔(Y)，共17種元素，稱為稀土元素。
稀土元素是17種特殊的元素的統(tǒng)稱，它的得名是因為科學家在提取稀土元素時應用了稀土化合物，所以得名稀土元素。
這些稀土元素的發(fā)現(xiàn)，從1794年芬蘭人加多林分離出釔到1947年美國人馬林斯基等制得钷，歷時150多年。其中大部分稀土元素是歐洲的一些礦物學家、化學家、冶金學家等發(fā)現(xiàn)制取的。钷是美國人馬林斯基、格蘭德寧和科列爾用離子交換分離，在鈾裂變產物的稀土元素中獲得的，過去認為自然界中不存在钷，直到1965年，芬蘭一家磷酸鹽工廠在處理磷灰石時發(fā)現(xiàn)了痕量的钷。
通常把鑭、鈰、鐠、釹、钷、釤、銪稱為輕稀土元素，釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥、釔稱為重稀土元素。也有的根據稀土元素物理化學性質的相似性和差異性，除鈧之外(有的將鈧劃歸稀散元素)劃分成三組，即輕稀土組為鑭、鈰、鐠、釹、钷，其中钷是人造放射性元素;中稀土組為釤、銪、釓、鋱、鏑;重稀土組為鈥、鉺、銩、鐿、镥、釔。
稀土元素都是很活潑的金屬，性質極為相似，常見化合價為+3價，其水合離子大多有顏色，易形成穩(wěn)定的配位化合物。溶劑萃取和離子交換是目前分離稀土的較好方法。鑭、鈰、鐠、釹等輕稀土金屬，由于熔點較低，電解時呈熔融狀態(tài)在陰極上析出，故一般均采用電解法制取?？捎寐然锖头飪煞N鹽系，前者以稀土氯化物為原料加入電解槽，后者則以氧化物的形式加入。
稀土元素的種類和應用
01
輕稀土組元素
鑭(La)
鑭的應用非常廣泛，如應用于壓電材料、電熱材料、熱電材料、磁阻材料、發(fā)光材料(蘭粉)、貯氫材料、光學玻璃、激光材料、各種合金材料等。鑭也應用到制備許多有機化工產品的催化劑中，光轉換農用薄膜也用到鑭，在國外，科學家把鑭對作物的作用賦與“超級鈣”的美稱。
鈰(Ce)
(1)目前正將鈰應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，美國在這方面的消費量占稀土總消費量的三分之一。
(2)Ce:LiSAF激光系統(tǒng)是美國研制出來的固體激光器，通過監(jiān)測色氨酸濃度可用于探查生物武器，還可用于醫(yī)學上。
鐠(Pr)
鐠是用量較大的稀土元素，大量用于玻璃、陶瓷和磁性材料中。
(1)鐠被廣泛應用于建筑陶瓷和日用陶瓷中，其與陶瓷釉混合制成色釉，也可單獨作釉下顏料，制成的顏料呈淡黃色，色調純正、淡雅。
(2)用于制造永磁體。選用廉價的鐠釹金屬代替純釹金屬制造永磁材料，其抗氧性能和機械性能明顯提高，可加工成各種形狀的磁體，廣泛應用于各類電子器件和馬達上;
(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70年代開始投入工業(yè)使用，用量不斷增大;
(4)鐠還可用于磨料拋光。另外，鐠在光纖領域的用途也越來越廣。
釹(Nd)
釹元素憑借其在稀土領域中的獨特地位，多年來成為市場關注的熱點。
(1)金屬釹的最大用戶是釹鐵硼永磁材料，釹鐵硼永磁體的問世，為稀土高科技領域注入了新的生機與活力。釹鐵硼磁體磁能積高，被稱作當代“永磁之王”，以其優(yōu)異的性能廣泛用于電子、機械等行業(yè)。阿爾法磁譜儀的研制成功，標志著我國釹鐵硼磁體的各項磁性能已跨入世界一流水平。
(2)釹還應用于有色金屬材料。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。
钷(Pm)
钷為核反應堆生產的人造放射性元素，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，作為導彈制導儀器及鐘表的電源。此種電池體積小，能連續(xù)使用數年之久。此外，钷還用于便攜式X-射線儀、制備熒光粉、度量厚度以及航標燈中。
02
中稀土組元素
釤(Sm)
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)應用的稀土磁體。這種永磁體有SmCo5系和Sm2Co17系兩類。
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，可用作原子能反應堆的結構材料，屏敝材料和控制材料，使核裂變產生巨大的能量得以安全利用。
銪(Eu)
氧化銪大部分用于熒光粉。Eu3+用于紅色熒光粉的激活劑，Eu2+用于藍色熒光粉?，F(xiàn)在Y2OS:Eu3+是發(fā)光效率、涂敷穩(wěn)定性、回收成本等最好的熒光粉，再加上對提高發(fā)光效率和對比度等技術的改進，故正在被廣泛應用。
釓(Gd)
釓的主要用途有：
(1)其水溶性順磁絡合物在醫(yī)療上可提高人體的核磁共振(NMR)成像信號。
(2)其硫氧化物可用作特殊亮度的示波管和x射線熒光屏的基質柵網。
(3)在釓鎵石榴石中的釓對于磁泡記憶存儲器是理想的單基片。
鋱(Tb)
鋱的應用大多涉及高技術領域，是技術密集、知識密集型的尖端項目，其主要應用領域有：
(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、硅酸鹽基質、鈰鎂鋁酸鹽基質，在激發(fā)狀態(tài)下均發(fā)出綠色光。
(2)磁光貯存材料，近年來鋱系磁光材料已達到大量生產的規(guī)模，用Tb-Fe非晶態(tài)薄膜研制的磁光光盤，作計算機存儲元件，存儲能力提高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中廣泛應用的旋轉器、隔離器和環(huán)形器的關鍵材料。
鏑(Dy)
鏑最主要的用途是：
(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。
(2)鏑用作熒光粉激活劑，三價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，它主要由兩個發(fā)射帶組成，一為黃光發(fā)射，另一為藍光發(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，能使一些機械運動的精密活動得以實現(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敏感度。
03
重稀土組元素
鈥(Ho)
目前鈥的主要用途有：
(1)用作金屬鹵素燈添加劑。金屬鹵素燈是一種氣體放電燈，它是在高壓汞燈基礎上發(fā)展起來的，其特點是在燈泡里充有各種不同的稀土鹵化物。
(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2μm激光吸收率高，幾乎比Hd:YAG高3個數量級。所以用Ho:YAG激光器進行醫(yī)療手術時，不但可以提高手術效率和精度，而且可使熱損傷區(qū)域減至更小。
鉺(Er)
鉺的光學性質非常突出，一直是人們關注的焦點：
(1)Er3+在1550nm處的光發(fā)射具有特殊意義，因為該波長正好位于光纖通訊的光學纖維的最低損失，鉺離子(Er3+)受到波長980nm、1480nm的光激發(fā)后，從基態(tài)4I15/2躍遷至高能態(tài)4I13/2，當處于高能態(tài)的Er3+再躍遷回至基態(tài)時發(fā)射出1550nm波長的光，石英光纖可傳送各種不同波長的光，但不同的光光衰率不同，1550nm頻帶的光在石英光纖中傳輸時光衰減率最低(0.15dB/km)，幾乎為下限極限衰減率。
(2)另外摻鉺的激光晶體及其輸出的1730nm激光和1550nm激光對人的眼睛安全，大氣傳輸性能較好，對戰(zhàn)場的硝煙穿透能力較強，保密性好，不易被敵人探測，照射軍事目標的對比度較大，已制成軍事上用的對人眼安全的便攜式激光測距儀。
(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。
銩(Tm)
銩的主要用途有以下幾個方面：
(1)銩用作醫(yī)用輕便X光機射線源，銩在核反應堆內輻照后產生一種能發(fā)射X射線的同位素，可用來制造便攜式血液輻照儀。
(2)銩元素還可以應用于臨床診斷和治療腫瘤，因為它對腫瘤組織具有較高的親合性，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LaO-Br:Br(藍色)，達到增強光學靈敏度的目的，從而降低了X射線對人的照射和危害，與以前鎢酸鈣增感屏相比可降低X射線劑量50%，這在醫(yī)學應用上具有重要意義。
鐿(Yb)
鐿的主要用途有：
(1)作熱屏蔽涂層材料。
(2)作磁致伸縮材料，這種材料具有超磁致伸縮性即在磁場中膨脹的特性。
(3)用于測定壓力的鐿元件，試驗證明，鐿元件在標定的壓力范圍內靈敏度高，為鐿在壓力測定應用方面開辟了一個新途徑。
镥(Lu)
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、氫化和聚合反應中起催化作用。
(3)作釔鐵或釔鋁石榴石的添加元素，改善某些性能。
釔(Y)
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。
(2)含釔6%和鋁2%的氮化硅陶瓷材料，可用來研制發(fā)動機部件;
(3)用功率為400W的釹釔鋁石榴石激光束可對大型構件進行鉆孔、切削和焊接等機械加工。
04
稀散元素
鈧(Sc)
(1)照明行業(yè)。比較有趣的是，鈧的用途(作為主要工作物質，而不是用于摻雜的)都集中在很光明的方向，稱他為光明之子也不為過。如鈧鈉燈、太陽能光電池、γ射線源等。
(2)單質形式的鈧，已經被大量應用于鋁合金的摻雜。
(3)單質的鈧一般應用于合金，而鈧的氧化物也是物以類聚地在陶瓷材料上面起到了重要的作用。像可以用作固體氧化物燃料電池電極材料，還可用作像高強度，耐高溫的工程陶瓷材料氮化硅做增密劑和穩(wěn)定劑。
(4)在高溫反應堆核燃料中加入少量Sc2O3可避免因UO2向U3O8轉化發(fā)生的晶格轉變、體積增大和出現(xiàn)裂紋。
稀土元素已廣泛應用于電子、石油化工、冶金、機械、能源、輕工、環(huán)境保護、農業(yè)等領域。我們國家擁有豐富的稀土礦產資源，成礦條件優(yōu)越，堪稱得天獨厚，探明的儲量居世界之首，為發(fā)展中國稀土工業(yè)提供了堅實的基礎。目前較為緊迫的任務就是進一步提高稀土材料的加工合成技術，避免國外憑借領先我們的技術用我們的稀土材料賺我們的錢。
參考資料：
[1]秦威.淺談稀土元素在陶瓷行業(yè)中的應用
[2]董世知.稀土氧化物在陶瓷涂層中的應用
[3]尹月.稀土氧化物在陶瓷材料中的應用硏究新進展
