「稀土元素的应用」.doc

一、镧元素的应用现状及存在问题镧的应用非常广泛，应用于各种合金材料、贮氢材料、热电材料、磁阻材料、发光材料、屏蔽涂料、光学玻璃等。它也应用到制备许多有机化工产品的催化剂中。在农业上，有科学家把镧对农作物的作用赋与“超级钙”的美称。1、传统应用（1）钢铁改质剂金属镧加入钢中可脱硫和脱氧，可细化晶粒，形成微合金并改变夹杂物的形态及分布，提高抗氢脆和抗腐蚀能力；加入到铁中可净化铁水，改变石墨形态，防止杂质元素破坏球化作用。由于钢铁在各个领域应用广泛，金属镧在钢、铸铁等高性能产品发展过程中均扮演着重要的色。（2）还原剂 金属镧与氧在高温下发生还原反应，利用蒸气压差可真空蒸馏分离提纯制备金属钐、金属铥等高蒸气压金属，该工艺简单，污染少。（3）石油炼制催化剂 为了从原油中获得更多的汽油、柴油等轻质油, 必须在石油精炼加工中对重质油采用催化裂化处理, 就必需使用石油裂化催化剂, 稀土分子筛裂化催化剂比不含稀土的催化剂催化活性和热稳定性均有明显提高, 可使轻质油收率提高4%, 使催化剂寿命延长2倍, 炼油成本降低20%, 并使裂化装置生产能力提高30%-50%。（4）功能陶瓷镧在功能陶瓷材料中具有特别好的应用前景；如在钛酸钡(BaTiO3)电容器陶瓷中加入氧化镧,可明显提高电容器的稳定性和使用寿命,加入1%氧化镧,可延长使用寿命400-500倍。镧作为固体电解质可用于固体氧化物燃料电池。他们都具有良好的抗断裂韧性、热稳定性和抗循环疲劳性。把镧作为主成分加入锆钛酸铅制备(Pb, La)(Zr,Ti)O3, 即电光陶瓷, 可用于强核辐射护目镜、光通讯调制器、全息记录等。2、应用于新型材料（1） 光学玻璃光学玻璃中应用镧既是经典用途，也是目前主要应用领域之一。镧系光学玻璃具有高折射率和低色散的优良光学特性，可简化光学仪器镜头、消除球差、色差和像质畸变，扩大视场角，提高鉴辨率和成像质量，已广泛用于航空摄像机、高档相机、高档望远镜、高倍显微镜、变焦镜头、广角镜头和潜望镜头等方面，已成为光学精密仪器和设备不可缺少的镜头材料。（2）储氢材料La-Ni系列合金储氢能力好，不易粉化。每公斤可贮存氢约160升，可使高压贮氢钢瓶体积缩小到1/4。利用其可以“呼吸”氢气的特性，可以把纯度为99.999%的氢气提纯到99.99999%，也可用作有机合成的加氢或脱氢反应的催化剂。利用其吸氢放热、呼氢吸热的本领可以把热量从低温向高温传送。目前这种贮氢材料的最大用途是用于稀土镍氢电池的负极材料。电池容量高，寿命长，可反复充放电500次以上，属于环保型绿色电池。稀土镍氢电池目前已广泛用于手提电脑、便携式办公设备和电动工具等方面。最有发展前景的是用于汽车、摩托车的动力电池。 （3）磁致冷材料磁致冷是指以磁性材料为介质的一种全新的制冷技术，其中La-Fe系化合物具有优良的磁致冷效应，是目前最有希望实现实用化的室温磁致冷材料，但其二元合金不稳定。国内外研究重点是该系列合金的制备工艺，期望制备出经济适用的磁致冷材料。（4）屏蔽涂料电磁辐射是信息化社会的一个重要污染源，屏蔽是抗电磁干扰最有效的方法之一。铜系电磁屏蔽涂料对电磁波屏蔽效能高，但阻抗比银系列的高，而添加稀土可调节其电磁参数，降低阻抗，提高屏蔽性。在铜系电磁屏蔽涂料中添加镧，制备a系涂料，提高了涂层的导电性和电磁屏蔽性能。 （5）过共晶合金变质剂铝、镁等有色金属一般不用于摩擦大、温度高等恶劣条件，但与其他元素形成的过共晶合金则具有高耐磨性、低热膨胀系数及优良的铸造性能等。稀土镧作为变质剂加入这一类过共晶合金中，可有效细化晶粒，大幅度提高材料的耐磨及耐温性，拓宽铝、镁合金的应用领域。 （6）农业镧元素在促进种子萌发，增加作物产量、改良作物品质、提高作物抗逆性等方面起作用。富镧稀土无机和有机盐应该是农用和饲料添加剂用稀土的理想材料。（7）医疗镧用于医药也有广阔的前景。英国舍勒制药集团公司研制的新药磷酸盐结合剂主成份为碳酸镧，可用于治疗肾病患者透析时伴发的高磷血症，则具有良好的安全性，适合长期使用。我国研究员陈兴安等人进行的小鼠实验表明：柠檬酸镧可明显提高免疫力，抑癌率高达62.7，很有希望用作防治癌症和艾滋病的药物。4、存在问题我国镧资源丰富，价格相对便宜，但金属镧制备及高纯化工艺报道较少，且高纯金属镧尚未大规模开发，影响其进一步的应用研究。目前我国面临着经济结构的转型，对新的高性能功能材料和结构材料的需求将不断增加。未来稀土金属的制备和开发研究应着重于开发高纯稀土金属新的应用领域，加强表面抛光、电磁屏蔽等材料的研究。二、铈元素的应用及存在问题铈应用领域非常广泛，几乎所有的稀土应用领域中都含有铈。如抛光粉、储氢材料、荧光粉、颜料、压电陶瓷、铈碳化硅磨料、铈钨电极、某些永磁材料、各种合金钢及有色金属等。1、玻璃添加剂铈作为玻璃添加剂，能吸收紫外线与红外线，现已被大量应用于汽车玻璃。不仅能防紫外线，还可降低车内温度，从而节约空调用电。氧化铈用于玻璃脱色、玻璃着色、澄清剂、抛光剂，高纯氧化铈也用于生产稀土发光材料。2、汽车尾气净化剂目前正将铈应用到汽车尾气净化催化剂中，可有效防止大量汽车废气排到空气中。氧化铈还能于氧化钛制成光催化剂，用于抗菌陶瓷和富氧离子环保涂料。 3、硫化铈颜料硫化铈可以取代铅、镉等对环境和人类有害的金属应用到颜料中，可对塑料着色，也可用于涂料、油墨和纸张等行业。富铈轻稀土盐还用于油漆催干剂、PVC塑料稳定剂和MC尼龙改性剂。4、冶金领域球化剂用铈处理铸铁可以获得球墨铸铁，稀土硅铁镁合金用作球化剂，应用于球墨铸铁及硅墨铸铁，铈混合稀土金属还广泛用于稀土处理钢（脱硫、脱氧、变形)、稀土电工铝和稀土铸造镁合金（净化变质、细化晶粒、合金化）。5、特殊功能材料荧光剂氧化铈用于制造灯用三基色荧光粉的铝粉；美国研制的Ce:LiSAF 激光系统固体激光器，通过监测色氨酸浓度可用于探查生物武器，还可用于医学。金属铈还可以制造永磁材料，铈钨电极代替放射性电极等。6、农用铈作为植物生长调节剂，可以改善农作物品质，增加产量并提高作物抗逆性；用作饲料添加剂，可以提高禽类的产蛋率和鱼虾养殖的成活率，还可改善羊的羊毛质量。7、存在的问题在生产铈中，需进一步提高和完善电解铈生产技术装备水平，创新大型化电解槽；提高产品质量，降低成本推动应用发展；加强铈的应用研究，开拓应用新领域，增加国内用量；继续扩大出口量，占领国际市场，提高企业效益。三、钐元素的应用及存在问题多年来, 金属钐在民用和军用工业中, 特别是在高科技领域中获得了较好的应用, 并取得明显的技术及经济效果。氧化钐还用于陶瓷电容器和催化剂方面。1、在永磁材料中的应用钐是做钐钴系永磁体的原料，钐钴磁体是最早得到工业应用的稀土磁体。这种永磁体有SmCo5系和Sm2Co17系两类。70年代前期发明了SmCo5系，后期发明了Sm2Co17系。现在是以后者的需求为主。钐钴磁体所用的氧化钐的纯度不需太高，从成本方面考虑，主要使用95%左右的产品。如用烧结法或粘结法可生产 SmCo5, Sm2Co17和Sm2Fe17N x 等三类重要永磁体。目前, 我国SmCo5, Sm 2Co17和Sm2Fe17N x 等均已达到工业化生产水平。钐永磁材料主要用于军工高技术及民用工业两方面。在军工上用于行波器和环行器。前者是作为电子束聚焦环, 可达到体积小,重量轻, 使行波器对卫星导航。用于消除机械摩擦的磁轴承, 可达体积小型化, 适用于航空飞行器和陀螺仪。在民用工业上代替铁氧体制造定子磁场的小型和微型马达, 用于汽车和自动仪表中的电极效率高及力矩大,重量和体积小。由于SmCo型能量密度大可制成磁体阀门,降低泄露, 故可用于核电站的密封阀门。用于通讯和传输电子设备如微波主扬声器等。2、在钢和铁中的应用钐在炼钢和炼铁过程中可作为净化剂用。可脱氧除硫, 生成Sm 2O3和SmS渣, 从而提高钢及铁的性能。但由于钐价格高而生产中很少用。目前多用含钐1.2% 的混合稀土金属加入钢液中除氧除硫,效果较好。 3、在发火合金(火石)中的应用发火合金是由混合稀土金属 (含Sm 1.3% )与Fe 及少量的M g, Zn, A l, Cu 等制成的 (R E：7580% , Fe：1518% , 其他为M g, Zn等) , 这种发火合金的发火率85% , 主要用于民用 (作火石用) 打火机的引火石和各种玩具的发火石等。目前我国生产该合金每年有几百吨, 供应于国内及出口用,发展态势较好。据不完全统计,我国发火合金用R E约400t, 其中含钐为510t左右。但由于钐在总稀土中含量少, 价又高, 故近年来用R E 制成发火合金中, 先把R E 中的钐离出来,更好地使用钐的价值。此外, 还有一些含钐的发火合金用于工业汽灯,焊枪点火器和火矩点火装置等。4、在有色金属中的应用在铸造铝合金中加入钐（0.080.2% ）后,对合金起着变质作用。可降低氧、硫和氢的含量,从而提高了合金的强度,延伸率,热稳定性,耐蚀性,铸造性能和可塑性等,使合金更可利用。在Al2O3电解中, 加入了混合碳酸稀土后可生产A lR E 合金。其用于制造高压电缆线,可提高导电率,抗腐蚀性,延展性,热稳定性和耐疲劳性等。使输电线更有技术及经济价值。在A l- R E合金中含Sm 约1.2%。 此外, A l-R E 合金还可用于制造各种日常生活的铝制品。在Cu 中加入Sm后可起变质和细化晶粒的作用,使含钐的铜提高了使用性能。如在Cu 中可生成SmCu, SmCu5和SmCu6的金属间化合物而起着微合金化作用。从而改善了铜的机械性和加工性, 使铜更有利用的价值。5、在原子能工业中的应用钐还具有核的性质，可用作原子能反应堆的结构材料，屏敝材料和控制材料，使核裂变产生巨大的能量得以安全利用。此外钐的氧化物(Sm2O3)可用于核子反应堆上的陶瓷保护层的组分, 或用于控制原子锅炉中的核反应, 效果很好。6、存在的主要问题根据多年钐的生产,应用和市场等方面的发展状况, 有下列几个问题需要进行讨论,以促进我国钐品业的快速进展。（1）目前国内生产钐的还原设备的生产容量较小,使钐产品单位产量不大,造成需求量快增时,必须使用很多台还原炉设备才能满足要求,这会引起设备投资大,作业繁杂,因此,实现还原设备大型化,增加产量，满足市场的需要。（2）我国生产钐产品仅利用还原蒸馏法,此法产量小,设备繁杂,过程作业麻烦,产品成本高。为了解决存在的问题,应该进一步研制新的生产技术和设备。（3）虽然我国钐的产量和用量有所发展,但钐的用量增长较慢, 应用的领域及范围较窄。今后,除主要用于永磁材料外, 还应该加强在功能材料, 高新技术和军工尖端技术等应用的研究工作, 并尽快将成果转为生产力。四、钆元素的应用及存在问题钆和其他稀土元素一样，属于活泼性金属，拥有相似的化学共性。作为混合稀土使用，可以同镧铈等轻稀土一起用作金属的净化变质剂，也可用做石油、化工和环保催化剂还被用于农牧养殖等方面。但钆也具有自己一些独特的个性：如特殊的磁性、光性和核性质，有许多特殊的用途。 1、金属钆可用作钐钴磁体的添加剂。金属钆添加在稀土永磁体中，能使磁体性能不随外界温度的改变而变。氧化钆具有多种用途。氧化钆与镧一起使用，有助于玻璃化区域的变化和提高玻璃的热稳定性。另外，氧化钆还可用于制造电容器、x射线增感屏。2、用氧化钆能制得多种红色荧光粉。在用钇和铕制造的红色荧光粉中加入氧化钆，发光效率高，颜色鲜艳，稳定性好，不但可用于荧光灯，而且可用于等离子体显示器件和阴极射线管中。钆也可用于长余辉荧光粉。用钆的钒磷酸盐还可制造发光薄膜。3、钆在用于磁制冷方面将很有应用前景。用钆盐经磁化制冷可获得接近绝对零度的超低温。目前人们感兴趣的是要制备出室温（高温）磁制冷系统，以取代会产生破坏大气层的氟里昂冰箱。1977年美国采用金属钆研制出人类第一台使用超导磁体的室温磁制冷原理机，效率可达60，而传统的氟里昂制冷机效率只能达到25-40。这种磁致冷机不仅效率高，而且不排放任何污染物，噪音低，如能实现商业化生产，将会给氧化钆带来广阔的市场。2001年底又研制出永磁体室温磁制冷冰箱展示机、4、钆用于激光材料用掺钕硼酸钆铝晶体制造的激光二极管泵浦的自倍频蓝色激光器，可产生440蓝色激光，属于全固态激光器，具有结构简单、体积小、牢固耐用、价格适宜等特点，在高密度数据存储、彩色印刷、水底通讯等诸多方面有着广泛的应用。5、 金属钆用于阴极发射材料金属钆和镧钇一起用于难熔金属的钼次极发射材料，发射系数大、发射稳定性好、易于加工、抗暴露大气 能力好，可应用于磁控管阴极材料领域。钆的硫氧化物可用作特殊亮度的示波管和x射线荧光屏的基质栅网。6、钆在医疗上的应用钆的水溶性顺磁络合物在医疗上可提高人体的核磁共振波谱仪（）成像信号。含钆造影剂已被广泛用于普通核磁共振（）增强检查核磁共振血管造影（），含钆造影剂经静脉注