书城科普神奇的新材料
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第51章 稀土元素

中国用符号“RE”来表示稀土。由于18世纪发现的稀土矿物较少,当时只能用化学方法制得少量不溶于水的稀土元素的氧化物,并且对这些氧化物也缺乏更深的认识,加之历史上习惯地把不溶于水的固体氧化物统统称之为“土”,故得名“稀土”。其实,“稀土”不是土,而是典型的金属元素。稀土矿物并不稀少,其在地壳中的含量比常见的铜、锡、锌等还要多,只是较为分散,提炼较困难而已。

稀土元素因其独特的电、光、磁、热及生物学性能而被称之为开发新材料的“宝库”、“魔水”或“微生素”,是各国科学家尤其是材料专家最关注的一组元素。中国稀土资源十分丰富,约占世界储量的80%以上,为中国新材料的发展提供了得天独厚的条件。

1.稀土磁性材料

稀土磁性材料包括稀土永磁材料、磁致伸缩材料、磁致冷材料、磁光存贮材料及稀土巨磁阻材料等。稀土的加入,大多使其性能成倍提高,可使产品体积及重量明显下降。其中,含稀土钕的钕—铁—硼永磁材料是目前磁性最强的材料,为第三代磁性材料。

目前国际上稀土永磁材料主要应用于计算机磁盘驱动器的育圈电机(VCM)、新型电机、核磁共振成像(MRI)、各种扬声器及其他电磁产品方面。

2.稀土荧光、发光材料

稀土荧光、发光材料包括灯用稀土荧光材料、显示用发光材料、稀土卤化物灯用发光材料、稀土激光材料等。

稀土荧光材料已显示出许多优良的性能,除红粉必须用稀土荧光粉外,绿粉和蓝粉也将由稀土荧光粉取代锌、锶硫化物粉,以获得更高的亮度、清晰度及使用寿命。

当今最流行的稀土三基色节能灯、高透亮的电视及电脑CRT 显示器就是因为含有稀土的结果。

目前,90%的激光材料(含固态、液态、气态激光材料)都与稀土有关。稀土激光材料制成的激光器体积更小、效率更高。如最常用的固体激光材料为钕玻璃或掺钕的钇铝石榴石单晶,其在通信、医疗、信息贮存、切割、焊接以及核聚变等领域有广泛用途。稀土光纤激光材料在降低光通信的损耗、光纤铺设成本方面起着重要作用。掺稀土铒的光纤放大器的开发应用使现代光纤通信取得了长足的进步。

3.稀土贮氢材料

氢能的贮存是氢能应用的前提,稀土贮氢材料是众多贮氢材料中的一种。一般为含有稀土金属元素的合金或金属间化合物,如LaNi5,其具有吸氢量大、易活化、不易中毒、吸放氢快等优点而成为最具代表性并且已实用化的一类重要贮氢材料。

4.汽车尾气净化用催化剂材料

由于稀土尾气催化剂独特的优点,不仅可以节约稀少的贵金属资源,又能显著降低催化剂的成本,因此稀土元素一直是汽车尾气净化催化剂中不可缺少的组成成分。在美国,汽车尾气净化催化剂是稀土的最大用户,其1995年的稀土用量,约占当今美国稀土总消费量的44%,远高于稀土用量第二的石油裂化催化剂(约占25%)。

5.其他

在显像管、新型电光源及喷涂、焊接领域,用稀土铈代替有严重放射性的钍制作的电极材料,是中国女科学工作者王菊珍的发明,曾荣获1987年全国发明博览会唯一的一个一等奖,此电极材料不仅无对人有害的放射性,而且性能比原先更好。

稀土钐、铕、钆的热中子俘获截面在材料中名列前茅,可用于原子能反应堆中的结构材料及控制棒。由于稀土氧化物La -Ba -Cu -O 系超导体的发现及其以后的研究,使超导材料的居里温度有了很大提高。稀土超导材料应用广泛,可做成超导电磁体用于磁悬浮列车,还可用于发电机、发动机、动力传输、微波等方面。