稀土材料的應(yīng)用及發(fā)展

張倩 張亞如

摘 要：本文以綜述的形式介紹了稀土冶金材料，稀土發(fā)光材料，石油化工，玻璃陶瓷等方面的應(yīng)用情況和發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：稀土材料；發(fā)展；應(yīng)用

稀土元素是元素周期表中鑭系元素系稀土類(lèi)元素群的總稱(chēng)[1～2]，包含鈧（Sc）、釔（Y）及鑭系中的鑭（La）、鈰（Ce）、鐠（Pr）、釹（Nd）等共17個(gè)元素。由于17個(gè)元素位于元素周期表同一族——ⅢB，造成物化性質(zhì)有一定相似性。特別是鑭系的15個(gè)元素（La—Lu）均位于周期表的同一格內(nèi)，它們的性質(zhì)更為接近，分離成單一元素時(shí)十分困難。但是它們本身是17個(gè)不同的元素，尤其在電子結(jié)構(gòu)，原子及離子半徑等方面又有顯著的不同，其特異性能來(lái)源于稀土元素具有特異的4f電子構(gòu)型，大的原子磁矩，非常強(qiáng)的自旋軌道耦合等因素，稀土元素與其他元素形成稀土配合物時(shí)，配位數(shù)可在3～12之間變化，稀土化合物的晶體結(jié)構(gòu)也是多元化的。在各種材料的制備加工過(guò)程中，添加稀土元素可以明顯提高產(chǎn)品的性能和制備工藝，目前稀土永磁材料是已知的綜合性能最好的一種永磁材料。另外，稀土材料在發(fā)光、貯氫、超導(dǎo)材料及軍事和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。

1 冶金工業(yè)

稀土永磁材料是目前綜合性能最高的一種永磁材料，它比鐵氧體和鋁鎳鈷性能都要優(yōu)越。在熔煉的鋼中加入稀土元素，可以改善鋼鐵在加工過(guò)程中的性能，同時(shí)也可以去除一些有害雜質(zhì)，因?yàn)樗麄兊娜埸c(diǎn)低，在熔煉過(guò)程中易去除。還有一些鑄鐵被廣泛的應(yīng)用在汽車(chē)，柴油機(jī)等機(jī)械制造業(yè)中，這是由于這種鑄鐵在加工的過(guò)程中利用稀土硅鐵合金等作為球化劑，使其具有被生產(chǎn)復(fù)雜器件的性能。為了提高合金不同溫度下的性能，在加工鋁、銅、鋅等合金的過(guò)程中可以添加稀土元素。

2 發(fā)光材料

稀土的發(fā)光和激光性能是由于稀土的4f電子在不同能級(jí)之間的躍遷產(chǎn)生的。由于稀土例子具有豐富的能級(jí)和4f電子活躍的特性，這就為多個(gè)領(lǐng)域提供了高性能的發(fā)光材料。比如現(xiàn)階段電視機(jī)和之前的老一代電視機(jī)相比，在畫(huà)面亮度和色彩鮮艷度方面都有明顯提高，[3]這是由于將稀土熒光粉加入到電視機(jī)顯像管中就能提高這些性能?，F(xiàn)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也將發(fā)光材料應(yīng)用到醫(yī)學(xué)放射圖像中，使圖像更加清晰，鮮明。目前應(yīng)用廣泛的節(jié)能燈也是由金屬鹵化物發(fā)光材料制成的。

3 石油化工

催化技術(shù)在化工產(chǎn)業(yè)中起到至關(guān)重要的作用。而稀土元素被廣泛應(yīng)用到制備催化劑的過(guò)程中，汽油、柴油等輕質(zhì)油是在重油輕質(zhì)化的二次加工的催化裂化過(guò)程中產(chǎn)生的，這就彌補(bǔ)了蒸餾方法得到輕質(zhì)油比例低的缺點(diǎn)。在煉油過(guò)程中使用稀土分子篩裂化催化劑可使其成本降低20%，并使裂化裝置生產(chǎn)能力提高30%～50%。

4 玻璃陶瓷

稀土元素作為著色劑生產(chǎn)出的有色玻璃具有顏色鮮明，著色穩(wěn)定等特點(diǎn)。稀土元素也可作為玻璃的脫色劑使用，如為了去除玻璃中的綠色，就需要在熔制玻璃過(guò)程中加入二氧化鈰，因?yàn)槎趸媽?duì)鐵有氧化作用。稀土元素在生產(chǎn)特種陶瓷時(shí)也起到十分重要的作用，為了改變Al2O3的產(chǎn)品性能，可以將少量的Y2O3外加劑加入到Al2O3陶瓷中，可以有效的降低陶瓷的燒結(jié)溫度。[4]西安交通大學(xué)的鄒秦等人制得了工藝性能良好陶瓷材料，其保持了電阻率低（ρ為10-2Ω/cm量級(jí)）、非線(xiàn)性高（非線(xiàn)性系數(shù)α>10）的介電-壓敏復(fù)合功能特性。他們采用的工藝是略去了Nb5+、Ta5+等離子的涂覆過(guò)程，直接在（Sr，Ca）TiO3中摻雜了Y3+、La3+進(jìn)行熱擴(kuò)散。

5 農(nóng)業(yè)方面

稀土元素可以促進(jìn)農(nóng)作物種子的萌發(fā)。在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，為了提高水稻、小麥等農(nóng)作物的發(fā)芽率和成活率，可以將其種子浸泡在一定濃度的稀土溶液中已達(dá)到目的。稀土元素可以改變農(nóng)作物的品質(zhì)，提高農(nóng)作物產(chǎn)量。色氨酸作為生長(zhǎng)素物質(zhì)的前體，為了增加它的含量，將農(nóng)作物的種子經(jīng)過(guò)稀土元素進(jìn)行處理，從而促進(jìn)了植物莖葉的生長(zhǎng)。稀土還能促進(jìn)種子萌發(fā)，提高種子發(fā)芽率，促進(jìn)幼苗生長(zhǎng)。除了以上主要作用外，稀土元素還具有提高農(nóng)作物抗病性能的作用。稀土元素可以促進(jìn)農(nóng)作物對(duì)土壤養(yǎng)分中鉀元素的吸收，鉀元素是保障農(nóng)作物健壯生長(zhǎng)的必要元素。為了有效的防止病菌對(duì)植株的傷害，就研究出一套植株互保的方法，這種方法就是利用稀土元素，提高了植株體內(nèi)氧化酶的活性，增加了其內(nèi)部酚類(lèi)物質(zhì)的含量。

6 軍事方面

稀土有工業(yè)“黃金”之稱(chēng)，由于其具有優(yōu)良的光電磁等物理特性，能與其他材料組成性能各異、品種繁多的新型材料，其最顯著的功能就是大幅度提高其他產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。[5]比如鑭元素可以用于戰(zhàn)斗機(jī)的夜視裝備，它不光可以增加駕駛員的可視距離，同時(shí)可以讓駕駛員在黑暗的作戰(zhàn)條件下看清前方的物體。稀土元素同樣可以用來(lái)制作防輻射材料，被廣泛的用于坦克，裝甲車(chē)等軍事裝備中。稀土科技在軍事上的應(yīng)用，先進(jìn)的戰(zhàn)爭(zhēng)手段，在一定程度上影響了一些國(guó)家的戰(zhàn)略地位。

7 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)雖是稀土儲(chǔ)量大國(guó)，但與美國(guó)、日本等國(guó)家相比在材料的研究，開(kāi)發(fā)及應(yīng)用等方面還相差甚遠(yuǎn)。國(guó)家加大力度研究稀土，重視對(duì)稀土材料的技術(shù)創(chuàng)新，將稀土資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。稀土材料的種類(lèi)眾多，用途范圍之廣，隨著科研的不斷進(jìn)步，新的稀土材料必將不斷涌現(xiàn)，稀土材料產(chǎn)業(yè)將有著更深遠(yuǎn)的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉光華.稀土材料學(xué)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[2]徐光憲.稀土（第二冊(cè)，下冊(cè)）[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1995.

[3]李建宇.稀土發(fā)光材料及其應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[4]鄭子樵，李紅英.稀土功能材[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[5]梁小蕊，江炎蘭，等.稀土材料的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)[J].化學(xué)工程師，2011.

作者簡(jiǎn)介：張倩（1985-），廊坊師范學(xué)院講師。