稀土的应用(一)

稀土的应用（一）1）稀土玻璃陶瓷材料A）稀土玻璃陶瓷既是工业和生活的传统基础材料，又是高科技领域的主要成员。B）我国玻璃与陶瓷工业中的稀土应用量自1988年以来平均以25%的速度递增，1998年已达约1600吨。C）2003年我国在玻璃陶瓷领域应用增长了1倍，稀土应用量在6000吨以上，占国内稀土应用总量的20.3%。1990～2003年我国稀土在玻璃陶瓷工业中的消费量（REO，吨）年份1990199119921993199419951996消费量410740900950110013001400年份1997199819992000200120022003消费量1540165018002000290028006000稀土在玻璃工业中被用作澄清剂、添加剂、脱色剂、着色剂和抛光粉，起着其他元素不可替代的作用。利用一些稀土元素的高折射、低色散性能特点，可生产光学玻璃，用于制造高级照相机、摄像机、望远镜等高级光学仪器的镜头；利用一些稀土元素的防辐射特性，可生产防辐射玻璃。稀土光学玻璃玻璃制造已有五千多年的历史。光学玻璃的生产也有近二百年的历史。而稀土元素应用于玻璃制造中却只有近百年的历史。稀土在光学玻璃中的主要作用（1）稀土抛光作用稀土抛光粉具有抛光速度快、光洁度高和使用寿命长的优点，与传统抛光粉—铁红粉相比，不污染环境。用氧化铈抛光粉抛光透镜，一分钟可以完成用氧化铁抛光粉的30～60分钟工作量，所以，稀土抛光粉具有用量少、抛光速度快以及抛光效率高的优点。而且能改变抛光质量和操作环境。•1990年以来，由于国内外市场对稀土抛光粉需求的不断增加。•1997年，包钢（集团）公司与日本清美化学株式会社、日本三菱商事株式会社3家共同投资组建了包头天骄清美稀土抛光粉有限公司。•目前我国稀土抛光粉的生产企业有30多家。可以生产高中低三大类别14个品种、24种规格的铈基系列抛光粉。年生产能力在1000吨规模以上的有4家，500～1000吨之间有5家，100～500吨之间的有10余家，实际产量超过百吨的有10多家。•稀土抛光粉主要应用于电视玻壳、阴极射线管、显示屏、玻璃光学仪器、集成线路板、眼镜片、光掩膜等的抛光，它的最大传统市场是彩电阴极射线管。（2）玻璃脱色1)稀土脱色剂一般玻璃中都因有深蓝色的二价铁离子和黄色的三价铁离子而带有一定的颜色,这样会降低光的透射率，脱色就是把二价铁离子氧化成三价铁（三价铁的色调强度只有二价铁的十分之一）。消除玻璃中这种残余颜色的过程称为脱色。用于玻璃脱色的稀土元素主要是氧化铈和氧化钕。（3）玻璃着色稀土离子在高温下具有稳定而鲜艳的颜色，用来掺入料液中，制造各种颜色的玻璃。钕、镨、铒、铈等稀土氧化物都是极佳的玻璃着色剂，当添加稀土着色剂的透明玻璃吸收波长为400～700纳米的可见光时，呈现出美丽的彩色。用这些彩色玻璃可以制作航空航海、各种交通工具的指示灯罩及各种高级艺术装饰品。玻璃颜色的深浅取决于玻璃的厚度和钕的含量以及光源的强弱，薄玻璃呈淡粉红色，厚玻璃呈兰紫色，这种现象称为钕的双色性；氧化镨产生一种类似于铬的绿色；氧化铒用在光致变色玻璃和水晶玻璃中呈粉红色；激光玻璃•钕玻璃是目前激光输出脉冲能量最大，输出功率最高的激光玻璃，其大型激光器用于热核聚变等。•用于光通讯、高能激光武器（可摧毁导弹、卫星、飞机等大型目标）。智能玻璃•在玻璃中掺入Nd、Er、Dy、Tb、Ho、Ce、Eu、Yb及Pr等稀土元素的光学玻璃具有温度敏感特性，可用于分布式传感器、光纤激光器和超亮度光源的有源增益介质及其他非线性器件。•如光致变色玻璃是能在光的激发下发生变色反应的玻璃，可作眼镜、高级汽车档风玻璃、窗玻璃、全息照像材料、制作文字、图像贮存光记忆显示、可擦光调制元件等。•光敏微晶玻璃利用感光化学腐蚀方法可以使该种玻璃形成各种复杂的图案，在印刷、电路板、射流元件、电荷存储管、光电信增管荧光屏等方面有广泛应用长余辉发光玻璃•世界第一块能“记忆”的玻璃。存储一部大百科全书只需拇指大的玻璃晶片。•将印有文字和图像的纸片盖在一块透明的玻璃上，然后用短波紫外线、X射线、γ射线进行高能电磁辐射，玻璃就能自动“默记”这些文字、图像。当受到日光等长波光源照射后，在暗背景中保存的这种玻璃，仍能把文字、图像再现出来。•这种神奇的玻璃是以中国科学院长春应化所苏锵院士和李成宇博士为首的科研小组研制成功的。它是由一种新型红色长余辉发光材料在玻璃上经特殊工艺处理做成的，并且，科研小组还在世界上首次发现了它的存储记忆功能。稀土旋光玻璃旋光玻璃是在磁场的作用下，能够使通过玻璃的光的偏振面发生偏转或产生双折射现象的玻璃，又称磁光玻璃。一般玻璃是弱磁性材料，含有过渡金属离子和稀土金属离子的氧化物玻璃一般都具有磁性。添加钇、镝、钬和铥等离子的磷酸盐、硼酸盐或氟化物玻璃，在室温下具有强磁性。若玻璃中添加铈、铕、镨或铽等稀土离子，可制得法拉第磁光玻璃。还有许多特种玻璃，比如•全色变色玻璃•红外玻璃•特种眼镜玻璃（UC片、克斯、克赛、抗疲劳、激光防护、超薄镜片等）•耐辐射玻璃•镧系光学玻璃稀土玻璃光纤稀土光纤玻璃用于通信、夜视器件、光纤放大器，在数据储存、打印显示、医学等领域开始应用。稀土氧化物玻璃光纤稀土氟化物玻璃光纤稀土陶瓷稀土陶瓷可以分为结构陶瓷和功能陶瓷。比如：纳米陶瓷、智能化陶瓷、高强陶瓷、高温陶瓷、电子陶瓷、超导陶瓷、半导体陶瓷、光学陶瓷、铁电陶瓷和反铁电陶瓷光学陶瓷又有：（1）透明陶瓷；（2）红外光学陶瓷；（3）光色陶瓷；（4）荧光玻璃陶瓷纳米陶瓷纳米陶瓷是指在显微结构中，晶粒、晶界及其结合都处于纳米级水平，晶粒的细化，晶界数量大幅度增加，使其室温和高温力学性能、抗弯强度、断裂韧性等大幅度提高的陶瓷。纳米陶瓷在切削刀具、轴承、汽车发动机部件等方面都有广泛用途；为陶瓷的利用开拓了一个崭新领域。超塑性陶瓷•超塑性陶瓷可分为相变超塑性陶瓷与结构超塑性陶瓷。•上海硅酸盐研究所对细晶Y-TZP陶瓷的超塑性研究表明，当晶粒尺寸为300nm，温度在1400℃下，起始应变速率为1×10-2·S-1，压缩应变达350%；当晶粒尺寸减小到150nm，温度在1250℃下，起始应变速率为3×10-2·S-1，压缩应变达380%。•使陶瓷如同金属一样，可用锻压、挤压、拉伸、弯曲和气压膨胀等成型方法直接制成精密尺寸的陶瓷零件。2）稀土磁性材料•按照磁学性质的不同，磁性材料可以分为硬磁材料（永磁材料）、软磁材料、半磁材料、旋磁材料、矩磁材料等。其中最为重要、用途最广、用量最大的是永磁材料。•稀土永磁材料是指稀土金属和过渡族金属形成的合金经一定的工艺制成的永磁材料。按照年代现分为第一代（RE-Co5，1966）典型磁能积200KJ每立方米第二代（Sm2Co17，1978典型磁能积300KJ每立方米第三代（Nd2Fe14B，1987典型磁能积400KJ每立方米永磁材料优异性能稀土永磁材料是以稀土化合物为基体，如稀土-铁系合金是由4f稀土族元素和3d过渡族元素组成的中间体化合物。稀土金属原子的顺磁磁化率高、各向异性场高，但单原子交换作用弱，居里温度也低；而3d过渡族·金属原子的原子交换强、饱和磁化强度高，居里温度也高，但各向异性场较低。因此，将3d过渡族元素的强磁性和稀土元素得高各向异性结合，通过适当工艺，就可以获得具有高磁能积、高矫顽力、高居里温度和高剩磁的性能优异的稀土永磁材料。稀土磁致冷材料拿什么拯救你,我们的臭氧层？工作原理•利用磁热效应•首先给磁体加强磁场，使磁矩按磁场方向排列整齐——磁熵减少•撤去磁场，磁矩的方向混乱——磁熵增大•我们知道吸热可以使熵增大，反过来，熵如果想增大必然要从环境中吸热，达到降温的目的。原理详悉普通状态加热状态加强磁场状态磁性物体加热，热运动加强，电子自旋排列有序程度减小突然加一个强磁场，使各个电子的自旋排列的有序性增加必然要放出热量因为是绝热过程，所以磁体温度上升1.绝热磁化2.绝热退磁加强磁场状态撤掉磁场在一定温度下撤掉磁场，有序性降低，必然会使温度降低，达到制冷目的磁致冷的特色与传统工艺相比，磁致冷：•单位制冷效率高、运动部件少、耗能小•工作频率低•噪声小、体积小、可靠性高•无污染、被称为绿色制冷技术。技术关键磁致冷材料是磁致冷机的核心部分，它必须具备以下特性根据磁场变化，产生的磁熵变化要大。即热量改变多，在一个周期内的冷却效率高晶格的振动要小。热量都用来输出，不至于通过振动消耗掉热传导效率高。进行一个周期所需时间短具有较高的电阻率。减少磁场变化引起的感应涡流产生的热效应应用方向目前，磁致冷技术正在向超低温制冷和室温制冷两个全然相反的方向发展1.超低温制冷的需要由于低温超导技术的广泛应用，迫切需要低温液氦来冷却低温超导体。但液氦是非常昂贵的试剂，如果使用以往的气体压缩膨胀式制冷机，为了达到巨大的温度差值，只能把压缩机变的很小，同时消耗巨大的能量才可能，极大的制约了液氦的生产。超低温制冷的现状•人们重点研究在低温（4~20K）的磁致冷材料和装置，并已取得成功，目前超低温磁致冷技术已达到实用化。•目前的主要材料是GGG和DAG，他们的起始制冷温度分别是16K和20K。利用他们，已经制成输出功率可以达到1.5J/s,最大液化能力2.5L/h的氦液化装置。基本上可以满足所有低温材料的需要。2.近室温制冷的需要•由于传统气体制冷工质所使用的氟利昂气体对大气层中臭氧层有破坏作用而被国际上所禁用，人们普遍对无压缩、无污染的的磁冰箱尤为感兴趣一般认为在接近居里点时热效应最大的铁磁性材料有可能成为室温致冷材料，如Gd.•但纯金属Gd太活泼，极易被腐蚀。而含有Gd的复合材料的成本一般很高。•1997年，美国三位科学家发现了具有巨磁热效应的GdSiGe系合金，该合金有突破性的两大优点。室温磁致冷材料的实用•虽然高性能的磁致冷材料已经有所进展，但是仍然不可能投入生产实用，最主要的问题是材料的成型问题•许多金属在纯态下有相当好的延展性，但是拥有巨磁热效应的金属间化合物几乎没有延展性，迄今为止的加工方法主要是通过机械粉碎和熔融液滴法制备微细粉末•但当它们发挥制冷效果时会和换热流体碰撞。超低温的换热流体是气体，冲击力很小，但是室温材料的换热流体是液体，脆性材料在冲击碰撞时会被粉碎成更小的颗粒随液流流出磁热床，导致磁致冷效率快速下降。这是制约科技变为生产的最大阻力。稀土超磁致伸缩材料及其应用铁磁性晶体在外磁场中被磁化时，其长度尺寸及体积大小均发生变化，而是掉外磁场以后，又恢复原来的长度或体积，这种现象称为磁致伸缩。/LL磁致伸缩机理•材料的晶格发生畸变时，其交换能也随之发生改变，晶格的排列总是选择一种能量最低的位置•原子的磁偶极距之间的相互作用•有原子的轨道和晶场的相互作用及自旋—轨道相互作用而引起的（大磁致伸缩的主要来源）以(Tb,Dy)Fe2化合物为基体的合金Tb0.3Dy0.7Fe1.95材料(Tb-Dy-Fe材料)的λ达到1500～2000×10-6,比磁致伸缩的金属与合金和铁氧体磁致伸缩材料的λ大1～2个数量级,因此称为稀土超磁致伸缩材料稀土超磁致伸缩材料的制备原材料的净化处理制备稀土铁母合金形成多晶棒材和取向棒材或单晶棒材热处理和成型加工稀土磁致伸缩材料目前生产的主要是棒形材料。单晶棒性能最佳，但生产设备贵，又受到到生产尺寸的限制，因此通常生产多晶棒材，为了提高性能，实际制备的是取向结晶棒材稀土铁母合金的制备对掺熔炼法燃烧还原法熔盐电解法稀土磁致伸缩材料的制备定向凝固法粉末冶金法布里奇曼法丘克拉斯基法区熔生长法烧结法凝结法稀土超磁致伸缩材料在声纳的水声换能器技术，电声换能器技术、海洋探测与开发技术、微位移驱动、减振与防振、减噪与防噪系统、智能机翼、机器人、自动化技术、燃油喷射技术、阀门、泵、波动采油等高技术领域有广泛的应用前景•功率电—声换能器水声声纳超声换能器•电—机换能器稀土精密定位系统主动降噪减震装置•传感器和电子元件袖珍测磁仪传感器稀土永磁材料的应用稀土永磁材料的应用稀土永磁材料的应用稀土永磁电机稀土永磁电声器件汽车马达、电动自行车、自动仪表扬声器