稀土材料的应用与发展探究

汪瑞 高淞

天津包钢稀土研究院责任有限公司 天津市 300300

摘要：本文对稀有元素及其性质进行了简单的描述，然后对稀土材料的应用与发展趋势进行了深入的研究和探讨。

关键词：稀土元素；稀土材料；应用；展望

一、稀土元素及其性质

稀土元素主要由17个元素组成，包括谰系元素的15个元素和与镧系元素化学性质十分近似的钪和钇两个元素。它们都是元素周期表中IIIB族中的主要元素，经常用“R”或者“RE”来表示。稀土是典型的金属材料，而不是字面意思上的“土”，它们的特殊金属光泽一般介于在银和铁之间，绝大多数的稀土都具有铁磁性。稀土的特殊性质有着很重要的实际应用，比如，冶金过程中可以用来脱氧、脱硫，可以起到净化和调节质量的重要作用。

二、稀土材料的应用

2.1稀土在我国传统金属材料加工领域的主要应用

2.1.1冶金机械

因为稀土金属具有很强的活泼性，所以它们能够有效去除在金属溶液中的氧、硫等化学物质，对金属溶液有明显的净化作用，能够控制硫化物及其他的化合物的形态，可以起到变质、细化晶体粒子、强化金属基体等重要作用。因此，可以利用混合稀土金属、稀土硅化物以及稀土有色金属中间化合物等来炼制具有优等质量的钢、有色金属以及合金材料等等。在这些稀土中通过加入各种铝合金和镁合金可以用来制造轮船引擎上的叶轮、飞机或者汽车发动机和导弹上的部件；把适当的稀土加入到铝钴合金中可以进一步的增强电缆的抗拉强度和耐磨性，而且还能保证其导电性不会降低；利用稀土的容易燃烧氧化的化学性质可以制造打火石和发光的军用合金材料。

2.1.2石油化工

稀土材料是液化石油气裂化工业中主要用于制造生产分子筛裂化催化剂。稀土分子筛催化剂具有很高的活性、选择性能很好、汽油的产率也很高，是世界上目前石油裂化工业生产中最常用的催化剂，比例大约占有90％。除此之外，稀土也可以在其他很多化学反应当中作为催化剂，比如，稀土催化剂已经很成功的广泛运用在合成橡胶和有机顺丁合成橡胶的工业生产当中，使用催化剂为去铈混合轻稀土的环烷酸盐，以镨籹伏击无效果更好。稀土化合物还可以用于塑料热稳定剂和稀土油漆催干剂等化工领域。

2.1.3玻璃陶瓷

某些稀土中的氧化物质可以用来给各种玻璃脱色和着色。比如，适量的氧化铈可以使玻璃脱色：①氧化铈的量达到1％时，玻璃为黄色；②氧化铈的量再多时玻璃便是褐色的；多用于制造玻璃的抛光材料。另外，氧化钕可以直接使玻璃本身呈现一种鲜红色，氧化镨可以使玻璃呈现绿色。将适量的稀土加入到陶瓷和瓷釉中不仅可以大大减少釉的破裂性，还能使其更加具有光泽。稀土也同样可以广泛用作各种陶瓷颜料，以氧化钴、氧化硅为基质的镨黄颜料以及以氧化铝和二氧化硅为基质的的铈钼黄及铈钨黄灯黄色颜料等是研究应用较多的颜料，用稀土制成的陶瓷颜料与其他颜料相比，具有颜色更加纯正柔和、光洁度好的特点。

2.2稀土在新材料领域的应用

稀土在新材料开发领域有多方面的广泛应用，稀土元素的光学、电学、磁学以及其他性能是发挥作用的主要性能。我们可以根据稀土元素在材料当中起到的重要作用将稀土材料可划分为两个大部分：一部分指的是利用稀土具有4f的电子结构特征的稀土材料；另一部分是利用稀土离子半径、电荷或者化学性质的优等特征的稀土材料。稀土在新材料领域的应用主要包括以下几个方面。

2.2.1稀土磁性材料

稀土磁性元素因其独有的磁性能，可以用来制造现代工业和科学技术发展需要的各种的磁性材料。稀土磁性材料主要种类包括稀土永磁材料、磁伸缩材料、稀土磁光材料、巨磁阻材料和磁制冷剂材料等等，其中最重要的便是稀土永磁材料，是推动稀土磁性材料技术研究、设计开发和制造产业化的主要重点。与一般传统的磁体作比较，稀土永磁材料的磁能积要比一般传统磁体高出4～10倍。具有优异磁性能的各种稀土永磁材料已经广泛应用到了整个全球各大支柱产业和其他许多高新科技新兴产业当中，特别是汝铁硼永磁材料，主要应用领域为：计算机工业、汽车工业、通讯信息产业、交通工业、医疗工业、家电工业等等。

2.2.2稀土发光材料和激光材料

稀土的4f电子在不同能级之间发生的电子跃迁过程使这些稀土原子具有发光性和激光性。正因为这种稀土离子材料具有十分丰富的能级和十分活跃的4f电子，

所以高新技术领域特别是信息通讯领域才具有了性能优良的发光材料和激发材料。稀土金属发光材料不仅具有很强的光谱吸收能力，转换率也很高，可以发射从紫外线到红外线的光谱，在可见光区的发射能力很强，物理性质十分稳定。Ritcey等制备了 YF3纳米粒子，Li等合成了稀土离子掺杂的纳米微粒YF3，Tao等制备了YF3：Eu纳米晶体，并对这些材料的发光及转换发光性能进行了研究，并且已经广泛用于计算机显示器、电视显像管、医疗设备通讯、信息储存及机械加工等方面。

2.2.3稀土特种玻璃和高性能陶瓷材料

稀土除了在工业上可以用作对传统玻璃以及 陶瓷的着色剂、脱色剂、抛光剂自己陶瓷颜料以外，还可以用来制造各种玻璃和具有高性能的陶瓷。如纳米Ce02粉体对紫外线的吸收极强，对玻璃等有较好的抛光作用，和较高的抛光精密度，已用于汽车玻璃、液晶显示、硅单晶片、玻璃储存等。研究表明铈玻璃是防辐射材料，具有在核辐射下保持透明、不变暗的特点，用于军事上和电视工业。

2.2.4稀土储氢材料

在能源短缺和环境日益污染严重的今天，新能源的开发势在必行，储氢材料的研究开发使得氢作为新能源实用化成为可能，具有很重要的意义。如稀土与过度族元素的金属间化合物MmNi5(Mm为混合稀土金属)及LaNi5是优良的吸氢材料。稀土储氢材料重要的用途就是用作镍氢电池的阴极材料。与传统的镍镉电池相比，其能量密度提高2倍，且无污染。镍氢电池已广泛应用于移动通讯、电脑、数码产品等电器中。

2.2.5稀土超导材料

由于稀土超导材料是一种高温超导材料，可使所需的环境温度有低温超导材料的液氦区（Tc=4.2K）提高到液氦区（Tc=77K）以上，不但极大的降低了操作的难度，

还可以大大降低超导设备生产的效率和成本费用。现已发现许多单一稀土氧化物及某些混合稀土化合物都是制备高温超导材料的原料。如Ce02是一种典型的稀土氧化物，具有特殊的光、电、磁的性质，是一种很好的超导材料，已广泛应用于发电机、发动机、动力传输、微波及传感器等方面。

2.2.6稀土气体净化催化材料

在大气环境受到严重污染的时候，控制汽车尾气的排放是提高空间质量的一条有效途径，而用稀土材料来进行空气的净化更加高效。因为稀土材料不仅具有原料容易获得，价格比较便宜的特点，而且其化学性质和热稳定性能很好，对环境的适应性也比较高，且寿命长，具有抗铅、硫中毒等优点。有关稀土材料研究的结果表明，稀土化合物的纳米微粒具有很强的氧化还原性，以活性炭作为载体，以纳米材料Zr0.5Ce0.5O2作为催化活性体的汽车尾气净化催化剂。随着社会和经济的快速进步和发展，人们对于汽车的使用量也越来越多，汽车尾气净化任务更加严峻，而我国的稀土资源十分丰富，稀土汽车净化催化剂材料有着十分广泛的发展前景。

2.2.7稀土核材料

稀土金属在一些核工业操作方面也已经得到了广泛的研究和应用，其主要依靠于稀土金属具有的不同的热中子俘获截面和速许多其他特殊性能。比如，铕具有很好的核性能，一些稀土氧化物、硫化物輣化物可以用作耐高辐射坩埚用于熔炼金属等，铈玻璃抗辐射性能好，已广泛应用于放射性极强的操作环境中等。

三、结语

稀土材料在很多材料当中都发挥着极为重要的作用，与我国现代高科技的发展有着密不可分的密切关系，在新能源、环境和电子信息多个领域有着不可替代的重要作用。尽管目前我国是一个稀土储存量很多的工业生产大国，但是在材料的研究和开发应用方面，我国与美国、日本等国家的技术仍有很大的技术差距，所以我国政府一定要有意识地加强对稀土的开发技术研究和应用力度，高度重视对稀土材料的开发利用、技术提升和应用方式革新，把稀土材料的自然资源优势逐渐转化为技术和经济的优势。目前稀土材料的主要种类和数量有很多，实际的用途涉及范围也很广泛。随着科学技术的不断的发展进步，新的稀土材料也会越来越多稀土材料产业具有极为深远的发展前景。

参考文献：

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