稀土在材料中的应用进展.doc

稀土在材料中的应用进展稀土，是元素周期表第族副族元素有钪、钇和镧系元素共17种化学元素组成。稀土是制造被称为“灵巧炸弹”的精密制导武器、雷达和夜视镜等各种武器装备不可缺少的元素。稀土金属已广泛应用于电子、石油化工、冶金、机械、能源、轻工、农业,环境保护等领域。应用稀土可生产荧光材料、稀土金属氢化物电池材料、电光源材料、永磁材料、储氢材料、催化材料、精密陶瓷材料、激光材料、超导材料、磁致伸缩材料、磁致冷材料、磁光存储材料、光导纤维材料等。我国拥有国际领先水平的稀土分离冶炼技术；同时，稀土永磁、储氢、发光等功能材料的性能也比较先进，产量约占世界的80%，推动了我国风电发电机、电动汽车产业的高速发展，为我国国民经济和高新技术产业的发展作出了重要贡献。稀土产业已经成为我国重要的战略核心产业之一，也是我国为数不多的在国际上具有重要地位和较大影响的产业之一。传统稀土冶金方法有两种，即湿法冶金和火法冶金。湿法冶金属化工冶金方式，全流程大多处于溶液、溶剂之中，如稀土精矿的分解（一般酸法，碱法和氯化分解）、稀土氧化物、稀土化合物、单一稀土金属的分离和提取过程就是采用沉淀、结晶、氧化还原、溶剂萃取、离子交换等化学分离工艺过程。现应用较普遍的是有机溶剂萃取法，它是工业分离高纯单一稀土元素的通用工艺。湿法冶金流程复杂，产品纯度高，该法生产成品应用面广阔。火法冶金工艺过程简单，生产率较高。稀土火法冶炼主要包括硅热还原法制取稀土合金，熔盐电解法制取稀土金属或合金，金属热还原法制取稀土合金等。火法冶金的共同特点是在高温条件下生产。近来，稀土在催化材料方面应用广泛，化石燃料催化燃烧，机动车尾气的催化净化，有毒有害废气的治理，C1化工，固体氧化物 燃料电池及移动制氢 稀土催化理论方面的研究等方面的应用和研究。从20世纪60年代中期开始,国内外对稀土化合物的催化性质进行了广泛的研究,稀土催化材料按其组成大致可分为:稀土复合氧化物,稀土(贵)金属,稀土分子筛等。研究表明,稀土在催化剂中的存在可以(1)提高催化剂的储氧能力;(2)提高活性金属的分散度,改善活性金属颗粒界面的催化活性;(3)降低贵金属用量;(4)提高Al2O3等材料的热稳定性;(5)促进水气转化和蒸汽重整反应; (6)高晶格氧的活动能力等,从而使催化剂的性能得到显著提高。稀土在汽车尾气催化剂中的应用研究也是近来关于稀土的前景之一，稀土材料铈、镧等在汽车尾气方面的应用。稀土在汽车尾气催化剂中的作用机理：稀土La、Y、Ce等的氧化物在汽车催化剂载体热稳定性和机械强度方面发挥了至关重要的作用。谭宇新等1的实验表明La3 +、Ce3 +半径大、熔点高在三效催化剂表面富集可促进Pd的分散并能防止Pd晶粒的长大和流失同时还能抑制Al2O3的相变对单Pd三效催化剂起到很好的热稳定作用。CeO2加入可以补强铝酸盐石灰和熔融硅所形成的网状结构提高催化剂载体的压缩强度。CeO2作为储氧物质在发动机瞬时富油而造成废气瞬时缺氧时四价Ce可变成三价Ce释放出O2当发动机瞬时贫油而造成的废气瞬时富氧时三价Ce又结合O2而转化为四价态的Ce。CeO2可以提高汽车尾气中的水煤气转化反应主要是碱性的CeO2改变Al2O3表面上的酸点从而加强它对水蒸气的吸附在稀土氧化物中碱性更强的氧化镧也有同样的作用 1。在新型稀土永磁材料研究方面，我国科学家无时不出现于国际前沿。在ThMn12结构金属间化合物研究方面，我国是最早开展这方面研究的国家之一，在结构与磁性，超精细相互化合物方面，我国最早报道了RF11TiNy的研究成果，开辟了ThMn12结构间隙化合物研究领域；在Nd3(Fe,Ti)29新相研究方面，我国科学家首先发现了Sm3(Fe,Ti)29单相化合物及其氮化物，并研究了它的磁性。 近年来，利用快淬工艺制备各向异性稀土永磁材料方面做了一些探索。最近，中国科学院物理所利用快淬工艺成功的合成出具有高磁能积的磁各向异性Sm-Co稀土永磁材料，其室温磁性能可达18.2MGOe，剩磁比为0.9，并且通过球磨后制备的粘结磁体仍旧保持各向异性，具有高的磁能积。同时发现碳元素能够控制易磁化轴在快淬带中的织构方向并细化晶粒可进一步提高其硬磁性能。北京大学，研制成功了具有自主知识产权的ThMn12结构氮化物稀土永磁材料。作为朝阳产业，稀土永磁产业是磁性材料产业的重中之重，其新的应用成长点在不断涌现，特别是信息产业为代表的知识经济的发展，给稀土永磁等功能材料不断带来新的用途。除了在计算机、打印机、移动电话、家用电器、医疗设备等方面的广泛应用外，汽车中的发电机、电动机和音响系统的应用已经开始，这将极大的带动钕铁硼产业的发展。稀土永磁材料方面，制造稀土永磁材料的稀土元素主要是钕、钐、镨、镝、铈等。稀土永磁材料迄今已发展了3代，第一代即l5型钐钴磁体SmCo5；第二代即217型钐钴磁体Sm2Co17及其它延伸产品；第三代为稀土铁系永磁体，最典型为Nd2Fe14B永磁体2。它们被广泛应用于各类电机、电声、核磁共振成像装置、医疗设备、磁悬浮列车、军事工业及其它光电子等高新技术领域3-5。稀土永磁材料产量的1/3左右都用来制造各种永磁电机，稀土永磁电机不仅效率高，而且结构简单、运行可靠、体积小、重量轻。它既可达到传统电励磁电机所无法比拟的高性能（如高效、高速、高响应速度），又可以制成能满足特定运行要求的特种电机6。稀土贮氢材: 由于稀土贮氢合金具有吸氢量大、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的贮氢材料7。其应用领域已扩大到能源、化工、电子、宇航、军事及民用等方面。稀土贮氢合金可以用于H2的贮存和提纯。典型的贮氢合金LaNi5的氢密度超过液态氢和固态氢。每千克稀土贮氢合金可存储约160L的H2，与15MPa的高压瓶贮氢的重量基本相同，但体积可缩小到1/4，并可在1MPa的低压力下贮存，而且除非外部加热，否则不会放出H2。因此，用稀土贮氢合金贮存氢安全可靠8。稀土防腐材料：随着钢铁等金属材料在社会生产和生活各个方面的广泛应用，金属设备和材料的腐蚀问题已成为当今经济发展的严重障碍，因腐蚀而造成的各类事故直接威胁着人类的生命和财产安全。传统的金属防腐的方法大多以铬酸和铬酸盐等六价铬化合物来进行钝化处理，经处理后在金属表面上形成的铬酸盐转化膜对基体金属具有良好的防蚀保护作用。然而，铬酸盐属极毒且会致癌的物质，在铬酸盐钝化工艺过程中产生的气雾对工人健康有害，排出的废水严重污染环境。稀土铝镁合金是一种可以复合在碳钢结构表面的高强耐腐蚀材料，可以在海水及相似环境中应用，适用于水工钢结构长效防腐。稀土铝镁合金涂层与钢铁基底的结合强度可达26.4Nmm-2，远远超过国际标准ISO/DIS206312-1989规定的9.8Nmm-2的对铝涂层结合力的要求。稀土铝镁合金涂层的电位在海淡水（Cl-含量为50010-6）中比单纯铝喷涂层和碳钢更负，极性逆转，具有电化学保护作用。将这种涂层应用于水工钢结构的防腐蚀中，与热喷涂铝相比基体结合强度高、电位更负、涂层更致密，具有更好的防腐蚀保护作用，有效提高水工钢结构的使用寿命，节省维修费用，减少钢材的损耗。稀土元素在众多新材料中起着十分重要的作用，与现代高科技的发展关系极为密切，在能源、环境、信息等诸多领域发挥着不可替代的作用。据英国独立报2010年1月发表的文章介绍，丰田的普瑞斯混合动力汽车年产量将达到100万辆，而生产每辆普瑞斯汽车需要16kg稀土。一辆普瑞斯汽车对稀土的应用可能包括：稀土储氢材料电池，稀土永磁材料电机，含有稀土元素的尾气处理催化剂、氧传感器、橡胶轮胎，稀土材料陶瓷，以及为减轻汽车重量和放射紫外线所使用的稀土合金和玻璃等。我国拥有丰富的稀土资源，随着国民经济和科学技术的迅速发展，对稀土材料的要求日益迫切，新的稀土材料将会不断涌现。目前，我国的稀土分离技术在世界已遥遥领先，但在稀土新材料的开发应用方面与日、美等发达国家相比还有相当大的差距,许多材料的研究与开发处于跟踪模仿状态。因此，大力开发稀土新材料的研究与应用，是我国科技工作者面临的一项极其重要和紧迫的任务9。1赵蕾,战天剑.稀土在汽车尾气催化剂中的应用研究和进展【J】.河南化工，2011，28（6）:5-8 2周寿增.稀土永磁材料及其应用M.北京：冶金工业出版社，1990.219-3343胡伯平.稀土永磁材料及其应用J.电气技术，2007，（10）：24-274 李训铭，严登俊，梁华.稀土永磁材料及其在电机工程中的应用J.自然杂志，2002，24（6）：327-330.5解竹青，张继松.稀土永磁材料在微电机中的应用J.电子元器件应用，2005，7（3）：22-