稀土的用途
- 来源:微型计算机Geek
- 关键字:稀土,用途
- 发布时间:2011-03-31 10:29
稀土磁性材料
磁性材料是一种用途广泛的玩意，自古便是如此。比如指南针，它就是一个采用了磁性材料的伟大发明。到了现代，磁性材料更是给力，在各行各业中全面开花。虽然在咱们平时的生活中磁性材料的上镜率似乎很低，但是人家却毫无怨言地默默为我们奉献着—从常见的耳机、话筒、音箱、硬盘、显示器、按键开关、天线、电机、继电器、传感器、变压器、磁盘、磁封、玩具、密码锁、复印机、核磁共振（MRI），到不怎么常见的磁控管、行波管、泵、微波器件、磁阻器件、霍尔器件、磁轴承、选矿机、磁力分离器、电感器、振动子、电视偏转轭、电缆、微波吸收材料、电磁铁、加速器高频加速腔、磁场探头、磁性基片、磁场屏蔽、高频淬火聚能、电磁吸盘、磁敏元件，再到那些说不清道不明的磁疗、磁化水、磁麻醉……嘿嘿，硬是真人不露相啊！
衡量磁性材料好坏的参数有很多，但其中最重要的无疑是磁能积。磁能积越大，意味着材料每单位体积所能产生外磁场的能量也就越大。早期的磁性材料一般是磁钢、铁氧体或铝镍钴合金一类的东西，它们历史悠久，价格也很和谐。但是，随着工业发展对磁性材料的要求越来越高，这些传统材料渐渐显得力不从心：磁能积不够大，磁力不够强，而且用久了还会慢慢衰减。经过多年等待，一种革命性的新材料终于在业界的千呼万唤下登场了，这就是稀土永磁材料。（所谓永磁，就是说这玩意能在某一特定空间里产生一个恒定的磁场，而维持这个磁场却不需要任何外部电源。）这种材料的诞生过程只能用一个词来概括，那就是点石成金—首先把一定量的钐和钕等稀土元素加入到诸如钴和铁一类的过渡金属里，然后用粉末冶金的方法压型烧结，最后经磁场充磁—就这样，一方顽铁脱胎换骨，变成了全新的稀土永磁材料。而它到底有多牛X？答案是100多倍。是的，稀土永磁材料比原来那些传统磁性材料的磁性能足足要高出100多倍，相当给力吧？这直接促进了磁性器件的小型化发展，提高了产品的性能。目前，稀土永磁材料主要有两种：钐钴（SmCo）永磁体和钕铁硼（NdFeB）永磁体。前者性能更好，但由于钐和钴这两种东西都不便宜，所以钐钴永磁体主要应用在微波管、精密测量仪表、自动导航定向陀螺仪等花钱不眨眼的军工产品上。而钕铁硼永磁体由于其和谐的价格，成为了工业上的香饽饽，大规模应用于前面提及的那些各种各样的产品上。毫不夸张地说，咱们身边的10个带电的东西，起码有7、8样肚子里都有稀土永磁材料的身影。
除了永磁体，稀土磁性材料家族还有可替代传统压缩机的稀土磁致冷材料。这玩意的原理说穿了其实很简单：当给它施加磁场后，磁矩按磁场方向排列，这就导致磁熵变小；而撤去磁场后，磁矩立刻由原来的有序排列状态变得杂乱无章，所以磁熵也变大了。根据热力学原理，体系需要从环境中吸收热量，于是环境温度降低，最终达到致冷的目的，整个过程既没有污染，又节约电，所以灰常和谐，完全可以把冰箱空调从氟利昂的泥潭中解救出来（熵在各个学科中有不同的具体定义，但总的来说指的都是体系混乱的程度）。
此外，还有在外加磁场作用下就会发生机械形变的稀土超磁致伸缩材料，它能随磁场的改变产生精确的长度变化。其实磁致伸缩材料并不是什么新鲜发明，在以前就有。只不过在添加了稀土以后，全新的稀土超磁致伸缩材料比传统的铁、钴、镍等材料的磁致伸缩值要大100-1000倍，完全不可同日而语。这种材料的用途极其广泛，可以用在低频大功率声纳、水下通讯、海下地貌测量、声响水雷探测与引爆、火箭燃料调节与控制、空间站与卫星控制、火箭定向调节、导弹调节、激光定位系统等军工行业。除了上面介绍的那些材料，还有可以用于集成微波和磁光隔音器以及电磁型微电机的稀土永磁薄膜、稀土磁光存储材料、巨磁阻材料等等……可见，稀土磁性材料是一个灰常强大的玩意，应用十分广泛，影响着我们生活的方方面面，是咱们身边最熟悉的陌生人。
稀土发光材料
19世纪末，爱迪生发明了电灯，把光明带给了人类。然而受制于其工作原理，爱同学的白炽灯在使用过程中有90%多的电能都白白转化成了无用的热能，只有区区不到10%的能量是用来发光的，灰常地不和谐。在如今这个提倡绿色环保节能减排的时代，节能灯才是王道。而节能灯这个行业完全是稀土的天下。就拿广大人民群众喜闻乐见的三基色节能灯来说，它使用的荧光粉就是稀土光致材料，比如负责发红光的红粉是以氧化钇为基质，掺杂一定量的氧化铕而成；绿粉则是在Ce0.67Mg0.33Al11O19基质材料中掺杂了氧化铽；而蓝粉在BaMgAl16O27基质材料中掺杂的也是铕。节能灯之所以叫节能灯，是因为它的发光效率高，比传统白炽灯省电在80%以上，而且寿命也是白炽灯的8-10倍。可以想像，如果商人爱迪生还在世的话，他一定会表示鸭梨很大……
除了照明，稀土发光材料还用于彩电显像管、电脑显示器和医疗设备等方面。因为这玩意的吸收能力强，转换效率高，可以发射从紫外一直到红外的光谱，尤其是在可见光区域，有很强的发射能力，而且物理和化学性质也很稳定。按照激发方式的不同，稀土发光材料一般还可以细分为稀土阴极射线发光材料、稀土光致发光材料、X射线稀土发光材料、稀土闪烁体和稀土上转换发光材料等。比如显像管和显示器用的就是稀土阴极射线发光材料；前面介绍过的节能灯采用了稀土光致发光材料；等离子显示屏（PDP）中的稀土发光材料是电致发光材料；而上转换发光材料多用在夜视镜上（所谓上转换，就是说这种材料发射的光子的能量大于吸收的，这就好比“吃的是草，挤出的是奶”，可以将红外光转化为可见光）。
稀土发光材料还有个很重要的分支就是稀土激光材料，它是与激光同时诞生的，而稀土元素是激光工作的重要元素，90%的激光材料都与稀土有关。一般来说，稀土激光材料可分为固体、液体和气体三大类，其
中以稀土固体激光材料的应用最广，像是稀土石榴石体系（如YAG：Nd）就是研究、开发和应用最活跃的体系。目前，稀土激光材料广泛用于通讯、医疗、信息储存、切割和焊接等方面。比如光纤，在长距离传输过程中信号必然会发生光衰减，但如果使用了掺铒的光纤放大器（EDFA），那光纤线路的传输容量、信号质量和传输速度都会有极大改善。除EDFA外，还有掺镨氟化物光纤放大器，二者的原理一样，只是激发光的波长略有差异。尽管稀土元素在光纤中用量很少，世界每年的总用量也仅为公斤级，但它们所起的作用却是决定性的。
稀土催化材料
相信童鞋们对2011年第1期《Geek》里的“世界多么美好，空气多么肮脏”这篇Stuff还有印象吧？作为居住在题图右侧的那抹血红中的上邦草民，我们只能被情绪稳定。林子大了什么鸟都有，而城市大了，自然什么污染也都有。比如工业上的各种排放，比如人口暴增带来的各种垃圾，比如被代表欢乐祥和的烟火表演……而在城市的各种污染中，最主要的莫过于汽车尾气。虽然郭嘉对于治理汽车尾气污染想了很多办法，像是单双号限行、小排量减税、清洁能源补贴、摇号购车什么的，但这些基本上都是些治标不治本的浮云。控制汽车尾气中污染物的含量才是提高空气质量的最直接最有效途径，而这也是汽车尾气净化器在国外是一个很大的产业的原因（美国的安吉乐哈德、约翰逊马太、联合信号和德国的德古萨，为全球最大的4家汽车尾气净化器公司）。
一般来说，汽车尾气里主要是碳氢化合物、氮氧化合物、一氧化碳、二氧化硫、含铅化合物、苯丙芘及固体颗粒物这些东西。所以尾气净化器要干的事就是利用催化剂将尾气中的碳氢化合物和一氧化碳氧化为无毒的二氧化碳，同时将氮氧化合物（NOx）还原成氮气，再将其他有害物质吸收，以达到净化的目的。这个过程可以用下面的反应式来表示：
（注：方程式中的“*”分别代表多组分烃类和氮的氧化物。）
早期的汽车尾气净化器多采用的是铂和铑等贵金属催化剂，这种催化剂的活性高，净化效果好，但价格极其不靠谱，这对于以赚钱为核心的贪婪的资本家们来说是绝对不能忍受的。于是，在利益的驱动和注水猪肉的启发下，稀土催化剂登场了。它在原来的贵金属催化剂中加入了镧和铈等稀土化合物，铈元素具有储氧功能，并能稳定催化剂表面上铂和铑的分散性，而镧则可以替代铑，所以其成本得到了大幅降低。在稀土的作用下，这种催化剂还可以使上面的三个反应同时进行，从而达到了同时净化一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化合物的效果，极大提高了催化剂的效率。此外，在催化剂载体中加入的镧、铈、钇这些稀土元素还能提高载体的抗高温氧化性能，使催化剂的热稳定性和化学稳定性更好，活性更高，寿命更长，并提高了其抗铅、硫中毒的能力，有此催化剂，夫复何求啊！
除了尾气净化，石油化工也是稀土应用的一个重要领域，更是消耗稀土的大户之一。就拿石油炼制来说吧，由于我国的原油整体偏重，如果用传统的蒸馏法加工，那只能得到大约30%的轻质油。本着一贯的光荣传统，石化巨头们当然不能容忍这种情况发生，剩下的重质油一定得用什么方法二次加工成轻质油来卖给不明真相的广大人民群众。这种二次加工，指的就是催化裂化。它是咱们国家重油轻质化的重要手段，目前国内70%的汽油和30%的柴油都是来自催化裂化的，否则光靠蒸馏的话，石化巨头们早把93#汽油卖到100块/L了。传统的裂化催化剂采用的是沸石分子筛，所谓沸石分子筛，其实就是一种结晶的铝硅酸钠，当其孔道中的钠离子被其他阳离子交换后，它就呈现催化作用。原来的分子筛是用H+或NH4+离子进行交换的，但这种催化剂有个缺点就是不能持久，用久了以后沸石晶体会崩塌，基质因熔化而烧结，于是催化剂就由于永久性中毒而不能用了。但是如果把H+或NH4+离子换成轻稀土离子（比如镧、铈、镨），这些三价的阳离子对沸石分子筛的亲和力更好，更加水乳交融易于交换，而且交换
后的分子筛晶体结构稳定性好、活性高、对汽油的选择性更好。于是，稀土元素又一次扮演了点石成金的角色。
补充说明一下，催化裂化技术不仅是轻质油品的主要来源，而且还可以为石油加工的下游行业提供原料。像是乙烯、丙烯、丁烯和液化气这些重要的化工原料，其实都是从黑乎乎的原油里分离出来的，而这些行业用的催化剂里也都有各种稀土元素的身影，硬是很好很强大。
稀土储氢材料
大家都知道，石油和煤炭是咱们人类文明的命根子，要没有它们，和谐社会就是个笑话。但是石油煤炭的储量是有限的，总有用完的时候，再加上使用过程中产生的环境污染问题，所以人们一直在寻找化石燃料的替代品。而氢气无疑是各种解决方案中的佼佼者，因为它是一种完全无污染的燃料，最终产物只是水而已；而且具有很高的能量密度，是相同质量汽油的两倍；氢可以从水中提取，基本上可以看作无穷无尽……虽然看上去挺美好，然而氢能源开发应用的关键却在于能否经济安全地制取和储运氢气。人们很早就已经发现，稀土金属与氢气反应可以生成稀土氢化物REH2，而这种氢化物要加热到1000摄氏度以上才会分解；但如果在稀土金属中再加入某些其他金属形成合金后，它在较低温度下也可吸放氢气，所以通常将这种合金称为储氢合金。与老式的高压瓶相比，装有储氢合金的容器虽然重量差不多，但体积可缩小到原来的1/4，还能在低压力下储存，相当靠谱。
童鞋们还记得上一期的“电池烧烤”吧？那篇文章里提到了镍氢电池，它的负极就是用镧+镍体系（LaNi5）的稀土储氢材料做的，这种电池的电化学容量高，循环工作寿命长，活性高，电极反应可逆性好，对电解液有着良好的耐蚀性，还有宽广的工作温度范围（-20～60摄氏度）。与传统的镍镉电池相比，镍氢电池的能量密度提高了两倍，而且丢弃以后也没啥污染，所以它是一种绿色能源，也是现在唯一可以与锂电相匹敌的电池。
稀土超导材料
1911年，荷兰莱顿大学的卡末林·昂内斯意外发现将金属汞（水银）冷却到-268.98℃时，汞的电阻突然消失。很显然，导体没有了电阻，电流流在经这种导体时就不会发生热损耗，所以电流可以毫无阻力地在导线中形成强大的电流，从而产生超强的磁场。于是，卡末林把这种现象称之为超导，他也因为这一发现而获得了1913年的诺贝尔化学奖。
这种超导材料好是好，但是它的工作温度已经快接近绝对零度（0K=-273.15℃；K就是开尔文温标，起点为绝对零度）了，咱们又不是五小强里的冰河，所以为了使超导材料具有实用性，人们一直在探索开发高温超导材料。从1911年开始到现在，超导体的工作温度已经从当初的4.2K提高到了287K（14摄氏度），而超导体的成分也由原来的单一金属变成如今掺杂了稀土的钡镧铜氧化物，这些都让超导技术开始走向大规模的应用。
比如超导材料的超级导电性可以用来制作各种应用于电机、高能粒子加速器、磁悬浮运输、受控热核反应等领域的磁体；可以制作电力电缆，用于大容量输电；还可以制成通信电缆和天线，其性能比现在的这些常规材料强悍得多。另一方面，超导材料具有完全的抗磁性，所以可制成无摩擦陀螺仪和轴承、辐射探测器、微波发生器和逻辑元件等。最后，超导材料在集成电路上更是大有用武之地，做出来的超导计算机不仅体积小、重量轻，而且运算速度比现在的半导体计算机要快10-100倍，真是让人无比期待！
稀土塑料
塑料绝对要算咱们老百姓的小日子里最为喜闻乐见的东西了，虽然优点无数，但是人们用久了，记住的却都是它的缺点。像是什么手感差啊，不耐用啊，易燃啊，对人体有害啊，所以塑料家族的哥几个纷纷表示鸭梨很大。于是，他们找到了稀土家的MM们，希望能与众美女碰出点什么火花来。
比如PVC（聚氯乙烯树脂），这家伙从小就是个革命立场不坚定的货色，成型加工温度要高于分解温度，所以往往在还没成为有用之材之前就可耻地挂了，相当的不给力。为了避免它出师未捷身先死，人们给PVC里加入了一种热稳定剂。这玩意好比主题思想，可以让PVC的分解温度提高到成型温度之上，而且分解温度越高，热稳定性就越好，成型也越容易。但和主题思想一样，传统的热稳定剂问题也不小，因为它的成分主要是铅盐和金属皂盐，这些东西不但有毒，而且使用量大，还会使塑料制品变得不透明，显然不适合我们和谐社会的发展要求。本着治病救人的崇高革命理念，稀土家的镧MM和铈MM决定委身下嫁于PVC同学。由于这两位MM根正苗红、如狼似虎，在高剪切力和250摄氏度的高温下都很稳定，不会自分解让PVC家后院起火；她们没有毒性，也没有架子，与PVC很容易混合，分散相当均匀；而且加入量很少，可以提高PVC的挤出量和易塑化性，制成的塑料光泽度和透明度都很好，各项理化性能和传统的铅金属稳定剂相比都有不同程度提高。就这样，昔日扶不起的阿斗脱胎换骨，成为了一位塑料真汉子、稳定纯爷们。
眼看PVC完成了华丽变身，PC（聚碳酸酯）也不禁有些心痒难耐。和软骨头的PVC大哥不一样，PC天生便是一副铮铮铁骨，它的耐冲击强度很高，电绝缘性、耐腐蚀性、耐磨性也都不错，而且无色透明，着色性一流。按理说，这样的人生已经完美，应该是无欲无求了。而事实的确也差不多，但是大家都不知道，PC同学内心深处从小便埋藏着一个伟大的梦想：我要出名！我要成为所有人注目的焦点！其实，这种idea本来也没啥，很多人都有。但由于粗线条的PC脑袋同样粗线条—在它看来，“成为所有人注目的焦点”的意思就是“成为亮点”；而要成为“亮点”，那最简单的方法莫过于让自己发光，也就是做一块会发光的塑料。不过，这个儿时的梦想它从未对任何人说起过，因为怕被人笑话。PC以前也偷偷尝试过让自己发光，但它选用的那种以硫化物为基质、银和锰为激发剂的发光物质不但光亮度差，发光时间短，而且只能呈现一种颜色的光，相当单调，完全不给力。直到有一天，PC碰见了稀土家的MM，它顿时觉得自己圆梦的时候到了。因为稀土离子中处于激发态的电子寿命比普通离子要长得多，而且稀土在固体中可以形成发光中心，这样一来，磷光体在激发停止后还可以继续发光，相当符合可持续发展的时代精神；此外，在稀土激活的磷光体中容易掺杂和敏化，这样就能制备出不同余辉、不同颜色的磷光体，它们的亮度高，耐烧伤，化学稳定性很好，而且制备工艺也很简单。反正就两字：靠谱！最后，PC终于实现了自己发光的梦想—它成为了一个广告灯箱……
除了这些洗具和杯具，塑料和稀土两家人的故事还有很多。像是钕铁硼（前面介绍过的稀土永磁材料）和树脂的一见钟情，便有了各类磁性塑料；而镨、钕与聚丙烯的邂逅，则诞生了光泽柔和鲜亮，色调纯正的彩色塑料，它在酸、碱溶液和太阳曝晒的摧残下依然可以保持本色。对某些塑料来说，稀土是不老药，要是在成型加工时来点稀土化合物，就可以大大延缓塑料的老化寿命；对另一些塑料来说，稀土又是大力丸，要是将镨、钕加入聚苯乙烯塑料中，其热稳定性、冲击强度和弯曲强度都会有明显提高。总而言之，稀土就是万金油，就是“万能之土”。
废水处理
水是生命之源，我们的日常生活干啥都离不开水。用的水多了，废水自然也不会少。要是对这些各种各样的废水放任不管直接排放的话，那我们的蓝色星球迟早会变成一个臭水球。一般来说，废水里的污染物主要有磷化合物、氨氮化合物、氟化物、有机化合物和砷、铬、镉等重金属离子。传统的废水处理方法有两种：化学法和生物法。所谓化学法，其实就是“对症下药”，水里有什么污染物就下什么药，所以它的处理能力很犀利。但这显然是一种拆东墙补西墙的做法，很容易对水体造成二次污染。而生物法靠的则是微生物，它们从污水中获取养分，同时降解和利用有害物质，从而达到净化的效果。虽然生物法消耗少、效率高、成本低、工艺操作管理方便可靠、没有二次污染，但如果它面对的是磷、氟化物和重金属离子这些无机污染物，那就无能为力了。而采用负载了镧或铈氧化物的稀土吸附剂，就可以弥补前面那两种方法的不足，可以通吃各种脏东西，又不会污染水体。因为稀土金属氧化物在水溶液中可以和水配位形成水合氧化物，由于稀土金属原子的电势小、碱性大，所以这种水合氧化物会带电荷，具有很强的吸附性和很大的吸附容量。此外，稀土吸附剂的再生能力很强，用上十次八次也毫无压力；而且它一点不挑剔，水体是酸性碱性都无所谓。虽然稀土吸附剂还处于初级应用阶段，但是它的前（钱）途可谓一片光明。
稀土陶瓷
首先说明一下，咱们这儿说的陶瓷，可不是童鞋们家里吃饭的碗、勺子或是花瓶那些东西哦。它是一种功能性材料的泛称，在二十世纪特别是第二次世界大战以后，随着电子信息、自动控制、传感技术、生物工程、环境科学等领域的发展和需要，便研究开发形成了这种新型材料。功能陶瓷可以利用电、磁、声、光、热、力等直接的物理效应和耦合效应，依靠它们提供的一种或多种性质，来实现各种使用功能，是典型的给点阳光就灿烂。比如绝缘材料（电、热）、电容器介电材料、铁电和压电材料、半导体材料、超导材料、电光材料、热电材料、化学吸附材料和固体电解质材料这些玩意都属于功能陶瓷的范畴。它们也被广泛地应用于电声、水声、超声器件、信号处理、红外技术、引燃引爆技术、微型马达，汽车安全气囊系统等领域。由此可见，功能陶瓷已经是一个很强悍的材料了。但如果在功能陶瓷材料中再掺杂点诸如钇、镧、钐、铈、钕等稀土元素，那就更是如虎添翼。稀土元素会极大地改变陶瓷材料的烧结性能、微观结构、致密度、强度、相组成等物理和机械性能，更可以极大地提升超导材料的实用价值，使它们特有的功能效应得到显著提高。像是智能陶瓷、生物陶瓷、抗菌陶瓷、超导陶瓷、记忆陶瓷这些近年来涌现出来的新型材料，都是稀土和功能陶瓷擦出的火花。
稀土元素之所以有这么多神奇的用途，是有原因的。我们打开元素周期表就可以看到，这17个稀土元素都位于ⅢB族，其中钪、钇和镧分别是第四、五、六长周期中过渡元素系列的第一个元素。第六周期的镧往后的14个元素性质和镧都十分相似，所以它们被门捷列夫排到了周期表的同一格内，这就好比15个兄弟自立了一个堂口。由于这种特殊地位，因此镧系元素的性质十分相近，但又不完全相同。它们的许多性质，如离子半径、电子能级这些都有着近乎连续的变化（这就好像衣服的尺码一样，从XS到XXL一应俱全），所以人们在要用的时候就能从中挑选出合适的元素。
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