稀土材料第1章

1、稀土材料稀土材料The Rare Earth materials第第1 1章章 绪论绪论稀土元素、资源及其材料应用稀土元素、资源及其材料应用1 1 稀土元素概述稀土元素概述一一. .稀土元素稀土元素(Rare Earth Element)(Rare Earth Element)用用“RE”RE”表示表示 在门捷列夫元素周期表的第六周期的在门捷列夫元素周期表的第六周期的AA族钡族钡(Ba)(Ba)和和BB族铪族铪(H(Hf) )元素之间元素之间, ,存在一个系列元素存在一个系列元素。它们位于第它们位于第六周期的六周期的BB族族。它们的特征是在内层的它们的特征是在内层的4f4f轨道内逐一填轨道内逐

2、一填充电子充电子。也就是原子序数为：也就是原子序数为：57La57La71Lu71Lu的的1515个个LnLn系系元素元素, ,用符号用符号LnLn表示表示. .包括镧包括镧La57,La57,铈铈Ce58,Ce58,镨镨Pr59,Pr59,钕钕Nd60,Nd60,钷钷* *Pm61,Pm61,钐钐Sm62,Sm62,铕铕Eu63,Eu63,钆钆Gd64,Gd64,铽铽Tb65,Tb65,镝镝Dy66,Dy66,钬钬Ho67,Ho67,铒铒Er68,Er68,铥铥Tm69,Tm69,镱镱Yb70,Yb70,镥镥Lu71.Lu71.共共1515个元素。个元素。二二.Ln.Ln系收缩现象系收缩现象

3、 LnLn系收缩系收缩: : 指指LnLn系元素随着原子序数的增加系元素随着原子序数的增加, ,原子半径和原子半径和离子半径在总的趋势上有所缩小的现象离子半径在总的趋势上有所缩小的现象.(.(从从LaLuLaLu的半径总共缩小的半径总共缩小14.3pm14.3pm左右左右) )。 LnLn系收缩导致两个重要的结果系收缩导致两个重要的结果: : 其一是钇其一是钇Y Y3+3+(88pm)(88pm)在离子半径的序列中落在在离子半径的序列中落在铒铒ErEr3+3+(88.1pm)(88.1pm)的附近的附近, ,因而使钇在自然界中常因而使钇在自然界中常与镧系元素共生而成为稀土元素中的一员。其二与镧

4、系元素共生而成为稀土元素中的一员。其二是使是使LnLn系后面各族过渡元素的原子半径和离子半系后面各族过渡元素的原子半径和离子半径径, ,分别与相应同族上面一个元素原子半径和离分别与相应同族上面一个元素原子半径和离子半径非常接近。子半径非常接近。 稀土元素的分组：稀土元素的分组：可根据研究者的研究目的和目标要求不同可根据研究者的研究目的和目标要求不同, ,而而有不同的分组方法。有不同的分组方法。如以族中主量元素命名分为如以族中主量元素命名分为: :铈族和钇族稀土铈族和钇族稀土; ;也有根据元素原子量的大小把稀土分为也有根据元素原子量的大小把稀土分为; ;轻轻Ln,Ln,中中LnLn和重和重LnL

5、n系系三组。三组。 按照稀土元素的物理与化学性质的微小差异按照稀土元素的物理与化学性质的微小差异和稀土矿物的形成特点和稀土矿物的形成特点,16,16个稀土元素划分为轻个稀土元素划分为轻稀土稀土(Ce(Ce组组) )和重稀土和重稀土(Y(Y组组) )两组。这种方法是：两组。这种方法是：以钆以钆(Gd)(Gd)元素为界线元素为界线,Gd,Gd前面的前面的LaLa、CeCe、PrPr、NdNd、* *PmPm、SmSm、Eu7Eu7个元素为轻稀土个元素为轻稀土(Ce(Ce组组) )元素；元素；GdGd后后面的面的GdGd、TbTb、DyDy、HoHo、ErEr、TmTm、YbYb、LuLu、和、和Y

6、 9Y 9个为重稀土个为重稀土(Y(Y组组) )元素。元素。根据稀土元素的分离工艺根据稀土元素的分离工艺, ,可以把可以把1616个稀土元个稀土元素分成铈素分成铈(Ce)(Ce)组组, ,铽铽(Tb)(Tb)组和组和(Y)(Y)组三组组三组。 1.1.2 铈族和钇族 苏锵院士提出： 铈族：镧至铕 钇族：钆至镥和钇三三. .稀土元素的发现与命名稀土元素的发现与命名从从Y(1794Y(1794年年)Ce(1803)Ce(1803年年),),发现钇土和铈土开始计算发现钇土和铈土开始计算: :18141814年年(Ce,(Ce,纪念当时发现的谷神星纪念当时发现的谷神星)1839/p>

7、1年年(La,(La,希腊语的意思是隐藏者希腊语的意思是隐藏者)1843)1843年年(Y,(Y,来自小镇来自小镇Ytterby)Ytterby)18781878年年(Tb,Er,Yb,(Tb,Er,Yb,来自小镇来自小镇Ytterby)1879Ytterby)1879年年(Sm,(Sm,以俄罗斯人命名的铍钇矿以俄罗斯人命名的铍钇矿SamarskiteSamarskite中提取命名的中提取命名的;Tm,;Tm,以斯堪的纳维亚的古老名称以斯堪的纳维亚的古老名称ThuleThule命名的命名的;Ho,;Ho,以瑞典的首以瑞典的首都斯德哥尔摩都斯德哥尔摩StockholStockhol命名的命名的)

8、1880)1880年年(Gd,(Gd,以以JGadolinJGadolin的名字命名的的名字命名的)1885)1885年年(Nd,(Nd,希腊语的意思是希腊语的意思是新的孪生子新的孪生子; ;PrPr希腊语的意思是绿色的孪生子希腊语的意思是绿色的孪生子)1886)1886年年(Dy,(Dy,希腊语希腊语的意思是难以接近的的意思是难以接近的)1897)189719011901年年(Eu,(Eu,以欧洲以欧洲EuropeEurope命名的命名的)1907)1907年年(Lu(Lu以巴黎的古老名词以巴黎的古老名词LuteriaLuteria命名命名)19471947年年( (* *Pm,Pm,以希腊

9、神话中为人类盗来火种的火神普罗以希腊神话中为人类盗来火种的火神普罗米修斯米修斯PrometheusPrometheus命名的命名的) )从钇土发现年代计算到从钇土发现年代计算到19471947年有年有153153年年, ,从铈元素发现从铈元素发现年代计算到年代计算到19471947年有年有133133年。年。 1717种稀土元素的用途简介种稀土元素的用途简介: : 镧镧(57La)(57La)镧的应用非常广泛镧的应用非常广泛, ,如应用于压电材料、电热如应用于压电材料、电热材料、热电材料、磁阻材料、发光材料材料、热电材料、磁阻材料、发光材料( (蓝粉蓝粉) )、贮氢材料、光学玻璃、激光材料、各

10、种合金材料贮氢材料、光学玻璃、激光材料、各种合金材料等。它也应用到制备许多有机化工产品的催化剂等。它也应用到制备许多有机化工产品的催化剂 我国的常乐我国的常乐 益植素是以镧、铈为主要成分益植素是以镧、铈为主要成分的稀土农用产品。的稀土农用产品。2020多年的研究和推广应用证明多年的研究和推广应用证明, ,它能促进作物生根、发芽和叶绿素的增加它能促进作物生根、发芽和叶绿素的增加, ,提高提高作物的光合效率作物的光合效率, ,促进作物对磷等元素的吸收促进作物对磷等元素的吸收, ,因因而可使多种作物增产和改善品质。既能单独使用而可使多种作物增产和改善品质。既能单独使用, ,也可与多种化肥、除草剂、农

11、药或微量也可与多种化肥、除草剂、农药或微量 元素复元素复合使用。光转换农用薄膜也用到镧合使用。光转换农用薄膜也用到镧, ,在国外在国外, ,科学科学家把镧对作物的作用赋与家把镧对作物的作用赋与“超级钙超级钙”的美称。的美称。铈铈(58Ce) (58Ce) 铈广泛应用于铈广泛应用于:(1):(1)铈作为玻璃添加剂铈作为玻璃添加剂, ,能吸收紫外线能吸收紫外线与红外线与红外线, ,已被大量应用于汽车玻璃。不仅能防紫外线已被大量应用于汽车玻璃。不仅能防紫外线, ,还可降低车内温度还可降低车内温度, ,节约空调用电。从节约空调用电。从19971997年起年起, ,日本汽日本汽车玻璃全加入车玻璃全加入C

12、eOCeO2 2,1996,1996年用于汽车玻璃的氧化铈至少有年用于汽车玻璃的氧化铈至少有20002000吨吨, ,美国约美国约10001000吨。吨。(2)(2)目前正将铈应用到汽车尾气目前正将铈应用到汽车尾气净化催化剂中净化催化剂中, ,可有效防止大量汽车废气排到空气中。可有效防止大量汽车废气排到空气中。美国在这方面的消费量占稀土总消费量的美国在这方面的消费量占稀土总消费量的1 1/ /3 3强。强。(3)(3)硫硫化铈可以取代铅、镉等对环境和人类有害的金属应用到化铈可以取代铅、镉等对环境和人类有害的金属应用到颜料中颜料中, ,可对塑料着色和用于涂料、油墨和纸张等行业可对塑料着色和用于涂

13、料、油墨和纸张等行业目前领先的是法国罗纳普朗克公司。目前领先的是法国罗纳普朗克公司。(4)Ce:LiSAF(4)Ce:LiSAF激光激光系统是美国研制出来的固体激光器系统是美国研制出来的固体激光器, ,通过监测色氨酸浓通过监测色氨酸浓度可用于探查生物武器和用于医学。铈应用领域非常广度可用于探查生物武器和用于医学。铈应用领域非常广泛。如抛光粉、储氢材料、热电材料、铈钨电极、陶瓷泛。如抛光粉、储氢材料、热电材料、铈钨电极、陶瓷电容器、压电陶瓷、铈碳化硅磨料、燃料电池原料、汽电容器、压电陶瓷、铈碳化硅磨料、燃料电池原料、汽油催化剂、某些永磁材料、合金钢及有色金属等油催化剂、某些永磁材料、合金钢及有色

14、金属等。镨镨(59Pr)(59Pr) 镨是用量较大的稀土元素镨是用量较大的稀土元素, ,其主要用于玻璃、其主要用于玻璃、陶瓷和磁性材料中。陶瓷和磁性材料中。(1)(1)镨被广泛应用于建筑陶镨被广泛应用于建筑陶瓷和日用陶瓷中瓷和日用陶瓷中, ,其与陶瓷釉混合制成色釉其与陶瓷釉混合制成色釉, ,也可也可单独作釉下颜料单独作釉下颜料, ,制成的颜料呈淡黄色制成的颜料呈淡黄色, ,色调纯正、色调纯正、淡雅。淡雅。(2)(2)用于制造永磁体。选用廉价的镨钕金用于制造永磁体。选用廉价的镨钕金属代替纯钕金属制造永磁材料属代替纯钕金属制造永磁材料, ,其抗氧性能和机其抗氧性能和机械性能明显提高械性能明显提高,

15、 ,可加工成各种形状的磁体。广可加工成各种形状的磁体。广泛应用于各类电子器件和马达上。泛应用于各类电子器件和马达上。(3)(3)用于石油用于石油催化裂化。以镨钕富集物的形式加入催化裂化。以镨钕富集物的形式加入Y Y型沸石分型沸石分子筛中制备石油裂化催化剂子筛中制备石油裂化催化剂, ,可提高催化剂的活可提高催化剂的活性、选择性和稳定性。我国性、选择性和稳定性。我国7070年代开始投入工业年代开始投入工业使用使用, ,用量不断增大。用量不断增大。(4)(4)镨还可用于磨料抛光。镨还可用于磨料抛光。另外另外, ,镨在光纤领域的用途也越来越广。镨在光纤领域的用途也越来越广。钕钕(60Nd)(60Nd)

16、金属钕的最大用户是钕铁硼永磁材料。钕铁硼金属钕的最大用户是钕铁硼永磁材料。钕铁硼磁体磁能积高磁体磁能积高, ,被称作当代被称作当代“永磁之王永磁之王”,”,其优异其优异的性能广泛用于电子、机械等行业。的性能广泛用于电子、机械等行业。磁谱仪的磁谱仪的研制成功研制成功, ,标志着我国钕铁硼磁体的各项磁性能已标志着我国钕铁硼磁体的各项磁性能已跨入世界一流水平。钕还应用于有色金属材料。跨入世界一流水平。钕还应用于有色金属材料。在镁或铝合金中添加在镁或铝合金中添加1.51.52.5%2.5%钕钕, ,可提高合金的可提高合金的高温性能、气密性和耐腐蚀性高温性能、气密性和耐腐蚀性, ,广泛用作航空航天广泛用

17、作航空航天材料。另外材料。另外, ,掺钕的钇铝石榴石产生短波激光束掺钕的钇铝石榴石产生短波激光束, ,在工业上广泛用于厚度在在工业上广泛用于厚度在10mm10mm以下薄型材料的焊以下薄型材料的焊接和切削。在医疗上接和切削。在医疗上, ,掺钕钇铝石榴石激光器代替掺钕钇铝石榴石激光器代替手术刀用于摘除手术或消毒创伤口。钕也用于玻手术刀用于摘除手术或消毒创伤口。钕也用于玻璃和陶瓷材料的着色以及橡胶制品的添加剂。璃和陶瓷材料的着色以及橡胶制品的添加剂。钷钷(61(61* *Pm)Pm)钷为核反应堆生产的人造放射性元素。钷的主要用途有钷为核反应堆生产的人造放射性元素。钷的主要用途有(1)(1)可作热源。

18、为真空探测和人造卫星提供辅助能量。可作热源。为真空探测和人造卫星提供辅助能量。(2)Pm(2)Pm147147放出能量低的放出能量低的射线射线, ,用于制造钷电池。作为导弹用于制造钷电池。作为导弹制导仪器及钟表的电源。此种电池体积小制导仪器及钟表的电源。此种电池体积小, ,能连续使用数能连续使用数年之久。此外年之久。此外, ,钷还用于便携式钷还用于便携式X射线仪、制备荧光粉、射线仪、制备荧光粉、度量厚度以及航标灯中。度量厚度以及航标灯中。钐钐(62Sm)(62Sm)钐呈浅黄色钐呈浅黄色, ,是做钐钴系永磁体的原料是做钐钴系永磁体的原料, ,钐钴磁体是最早钐钴磁体是最早得到工业应用的稀土磁体。得

19、到工业应用的稀土磁体。2020世纪世纪7070年代前期发明了年代前期发明了SmCoSmCo5 5系系, ,后期发明了后期发明了SmSm2 2CoCo1717系。现在是以后者的需求为主。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钐钴磁体所用的氧化钐的纯度不需太高, ,从成本方面考虑从成本方面考虑, ,主要使用主要使用95%95%左右的产品。此外左右的产品。此外, ,氧化钐还用于陶瓷电容器氧化钐还用于陶瓷电容器和催化剂方面。另外和催化剂方面。另外, ,钐还可用作原子能反应堆的结构材钐还可用作原子能反应堆的结构材料料, ,屏敝材料和控制材料屏敝材料和控制材料, ,使核裂变产生巨大

20、的能量得以安使核裂变产生巨大的能量得以安全利用。全利用。 铕铕(63Eu)(63Eu)EuEu2 2O O3 3大部分用于荧光粉。大部分用于荧光粉。EuEu3+3+用于红色荧光粉的激活用于红色荧光粉的激活剂剂,Eu,Eu2+2+用于蓝色荧光粉。现在用于蓝色荧光粉。现在Y Y2 2O O2 2S:EuS:Eu3+3+是发光效率、涂是发光效率、涂敷稳定性、回收成本等最好的荧光粉。再对提高发光效敷稳定性、回收成本等最好的荧光粉。再对提高发光效率和对比度等技术的改进率和对比度等技术的改进, ,正在被广泛应用。近年氧化铕正在被广泛应用。近年氧化铕还用于新型还用于新型X X射线医疗诊断系统的受激发射荧光粉

21、。射线医疗诊断系统的受激发射荧光粉。 EuEu2 2O O3 3还可用于制造有色镜片和光学滤光片还可用于制造有色镜片和光学滤光片, ,用于磁泡用于磁泡贮存器件贮存器件, ,在原子反应堆的控制材料、屏敝材料和结构材在原子反应堆的控制材料、屏敝材料和结构材料中也一展身手料中也一展身手。钆钆(64Gd)(64Gd)钆在现代科学技术中将起重要作用。钆在现代科学技术中将起重要作用。主要用途有主要用途有:(1):(1)其水溶性顺磁络合物在医疗上可提高其水溶性顺磁络合物在医疗上可提高人体的核磁共振人体的核磁共振(NMR)(NMR)成像信号。成像信号。(2)(2)硫氧化物可用作特硫氧化物可用作特殊亮度的示波管

22、和殊亮度的示波管和x x射线荧光屏的基质栅网。射线荧光屏的基质栅网。(3)(3)在钆镓在钆镓石榴石中的钆对于磁泡记忆存储器是理想的单基片。石榴石中的钆对于磁泡记忆存储器是理想的单基片。 (4) (4)在无在无CamotCamot循环限制时循环限制时, ,可用作固态磁致冷介质。可用作固态磁致冷介质。(5)(5)用作控制核电站的连锁反应级别的抑制剂用作控制核电站的连锁反应级别的抑制剂, ,以保证核以保证核反应的安全。反应的安全。(6)(6)用作钐钴磁体的添加剂用作钐钴磁体的添加剂, ,以保证性能不以保证性能不随温度而变化。钆与镧一起使用随温度而变化。钆与镧一起使用, ,有助于玻璃化区域的有助于玻璃

23、化区域的变化和提高玻璃的热稳定性。钆还可用于制造电容器、变化和提高玻璃的热稳定性。钆还可用于制造电容器、X X射线增感屏。射线增感屏。世界上目前正努力开发钆及其合金在磁致冷方面的应世界上目前正努力开发钆及其合金在磁致冷方面的应用用, ,现已取得突破性进展现已取得突破性进展, ,室温下采用超导磁体、金属钆室温下采用超导磁体、金属钆或其合金为致冷介质的磁冰箱已经问世。或其合金为致冷介质的磁冰箱已经问世。铽铽(65Tb)(65Tb)铽的应用大多涉及高技术领域铽的应用大多涉及高技术领域, ,是技术密集、知识密是技术密集、知识密集型的尖端项目集型的尖端项目, ,又是具有显著经济效益的项目。又是具有显著经

24、济效益的项目。应用领域有应用领域有:(1):(1)荧光粉用于三基色荧光粉中的绿粉的荧光粉用于三基色荧光粉中的绿粉的激活剂激活剂, ,如铽激活的磷酸盐基质、铽激活的硅酸盐基质如铽激活的磷酸盐基质、铽激活的硅酸盐基质铽激活的铈镁铝酸盐基质铽激活的铈镁铝酸盐基质, , 激发态下均发出绿色光。激发态下均发出绿色光。(2)(2)磁光贮存材料磁光贮存材料, ,近年来铽系磁光材料已达到大近年来铽系磁光材料已达到大量生产的规模量生产的规模, ,用用TbTbFeFe非晶态薄膜研制的计算机非晶态薄膜研制的计算机存储元件存储元件, ,存储能力提高存储能力提高10101515倍。倍。(3)(3)磁光玻璃磁光玻璃, ,

25、含铽的法拉第旋光玻璃是制造在激光技术中广泛含铽的法拉第旋光玻璃是制造在激光技术中广泛应用的旋转器、隔离器和环形器的关键材料应用的旋转器、隔离器和环形器的关键材料, ,特别特别是铽镝铁磁致伸缩合金的开发研制是铽镝铁磁致伸缩合金的开发研制, ,开辟了铽的新开辟了铽的新用途用途, ,该合金中有该合金中有1 1/ /2 2成份为铽和镝成份为铽和镝, ,有时加入钬有时加入钬, ,其其余为铁余为铁, ,该合金由美国依阿华州阿姆斯实验室首先该合金由美国依阿华州阿姆斯实验室首先研制研制, ,当置于一个磁场中时当置于一个磁场中时, ,其尺寸的变化比一般其尺寸的变化比一般磁性材料变化大磁性材料变化大, ,这种变化

26、可使一些精密机械运动这种变化可使一些精密机械运动得以实现得以实现, ,铽镝铁主要用于声纳铽镝铁主要用于声纳, ,目前已广泛用于目前已广泛用于多种领域多种领域, ,从燃料喷射系统、液体阀门控制、微定从燃料喷射系统、液体阀门控制、微定位到机械致动器、太空望远镜的调节机构和飞机位到机械致动器、太空望远镜的调节机构和飞机机翼调节器等领域。机翼调节器等领域。镝镝(66Dy)(66Dy)镝目前最主要用途是镝目前最主要用途是(1)(1)作为钕铁硼系永磁体的作为钕铁硼系永磁体的添加剂使用添加剂使用, ,在这种磁体中添加在这种磁体中添加23%23%左右的镝左右的镝, ,可可提高其矫顽力提高其矫顽力, ,过去镝的

27、需求量小过去镝的需求量小, ,但随着钕铁硼但随着钕铁硼磁体需求的增加磁体需求的增加, ,它成为必要的添加元素它成为必要的添加元素, ,品位必品位必须在须在959599.9%99.9%左右左右, ,需求也在迅速增加。需求也在迅速增加。(2)(2)镝用镝用作荧光粉激活剂作荧光粉激活剂,Dy,Dy3+3+是一种有前途的单发光中心是一种有前途的单发光中心三基色发光材料的激活离子三基色发光材料的激活离子, ,它主要由两个发射带它主要由两个发射带组成组成, ,一为黄光发射一为黄光发射, ,另一为蓝光发射另一为蓝光发射, ,掺镝的发光掺镝的发光材料可作为三基色荧光粉。材料可作为三基色荧光粉。(3)(3)镝是

28、制备超磁致伸镝是制备超磁致伸缩合金铽镝铁合金的必要的金属原料缩合金铽镝铁合金的必要的金属原料, ,能使一些机能使一些机械运动的精密活动得以实现。械运动的精密活动得以实现。(4)(4)镝金属可用做磁镝金属可用做磁光存贮材料光存贮材料, ,具有较高的记录速度和读数敏感度。具有较高的记录速度和读数敏感度。(5)(5)用于镝灯的制备用于镝灯的制备, ,在镝灯中采用的工作物质是在镝灯中采用的工作物质是碘化镝碘化镝, ,这种灯具有亮度大、颜色好、色温高、体这种灯具有亮度大、颜色好、色温高、体积小、电弧稳定等优点积小、电弧稳定等优点, ,已用于电影、印刷等照明已用于电影、印刷等照明光源。光源。(6)(6)由

29、于镝元素具有中子俘获截面积大的特由于镝元素具有中子俘获截面积大的特性性, ,在原子能工业中用来测定中子能谱或做中子吸在原子能工业中用来测定中子能谱或做中子吸收剂收剂(7)Dy(7)Dy3 3AlAl5 5O O1212还可用作磁致冷用磁性工作物质。还可用作磁致冷用磁性工作物质。随着科学技术的发展随着科学技术的发展, ,镝的应用领域将会不断的拓镝的应用领域将会不断的拓展和延伸。展和延伸。钬钬(67Ho)(67Ho)包钢稀土研究院采用高温高真空蒸馏提纯技术包钢稀土研究院采用高温高真空蒸馏提纯技术, ,研制出高纯金属钬研制出高纯金属钬Ho/REHo/RE99.9%99.9%。 目前钬的主要用途有目前

30、钬的主要用途有: : (1) (1)用作金属卤素灯添加剂用作金属卤素灯添加剂, ,它是气体放电灯它是气体放电灯, ,特特点是在灯泡里充有各种不同的点是在灯泡里充有各种不同的REXREX3 3。目前主要使用。目前主要使用REIREI3 3, ,在气体放电时发出不同的谱线光色。在钬灯在气体放电时发出不同的谱线光色。在钬灯中采用的工作物质是中采用的工作物质是HoIHoI3 3, ,在电弧区可获得较高的在电弧区可获得较高的金属原子浓度金属原子浓度, ,从而大大提高了辐射效能。从而大大提高了辐射效能。(2)(2)钬钬可用作钇铁或钇铝石榴石的添加剂可用作钇铁或钇铝石榴石的添加剂;(3);(3)掺钬的钇掺钬

31、的钇铝石榴石铝石榴石(Ho:YAG)(Ho:YAG)可发射可发射2m2m激光激光, ,人体组织对人体组织对2m2m激光吸收率高激光吸收率高, ,是是Nd:YAGNd:YAG高高10001000倍。所以用倍。所以用Ho:YAGHo:YAG激光器进行医疗手术时激光器进行医疗手术时, ,可提高手术效率和可提高手术效率和精度精度, ,而且可使热损伤区域减至更小。钬晶体产生而且可使热损伤区域减至更小。钬晶体产生的自由光束可减少对健康组织产生的热损伤的自由光束可减少对健康组织产生的热损伤, ,美国美国用钬激光治疗青光眼用钬激光治疗青光眼, ,可减少患者手术的痛苦。我可减少患者手术的痛苦。我国国2m2m激光

32、晶体的水平已达到国际水平激光晶体的水平已达到国际水平, ,应大力开应大力开发生产这种激光晶体。发生产这种激光晶体。(4)(4)在超磁致伸缩合金中在超磁致伸缩合金中, ,也可加入少量的钬也可加入少量的钬, ,从而降低合金饱和磁化所需的从而降低合金饱和磁化所需的外场。外场。(5)(5)另外用掺钬的光纤可以制作光纤激光器、另外用掺钬的光纤可以制作光纤激光器、光纤放大器、光纤传感器等等光通讯器件在光纤光纤放大器、光纤传感器等等光通讯器件在光纤通信迅猛的今天将发挥更重要的作用。通信迅猛的今天将发挥更重要的作用。 铒铒(65Er)(65Er)铒的光学性质非常突出铒的光学性质非常突出, ,一直是人们关注的问

33、题一直是人们关注的问题: : (1)Er (1)Er3+3+在在1550nm1550nm处的光发射具有特殊意义处的光发射具有特殊意义,Er,Er3+3+受到波受到波长长980nm980nm、1480nm1480nm的光激发后的光激发后, ,从基态从基态4 4I I15/215/2跃迁至高能态跃迁至高能态4 4I I13/213/2, ,当处于高能态的当处于高能态的ErEr3+3+再跃迁回至基态时发射出再跃迁回至基态时发射出1550nm1550nm波长的光波长的光, ,石英光纤可传送石英光纤可传送1550nm1550nm频带的光频带的光, ,在石在石英光纤中传输时光衰减率最低英光纤中传输时光衰减

34、率最低(0.15(0.15分贝分贝/ /公里公里) )。因此。因此, ,光纤通信在光纤通信在1550nm1550nm处作信号光时处作信号光时, ,光损失最小。将适当浓光损失最小。将适当浓度的铒掺入合适的基质中度的铒掺入合适的基质中, ,依据激光原理作用依据激光原理作用, ,放大器能放大器能够补偿通讯系统中的损耗够补偿通讯系统中的损耗, ,在需要放大波长在需要放大波长1550nm1550nm光信号光信号的电讯网络中的电讯网络中, ,掺铒光纤放大器是必不可少的光学器件掺铒光纤放大器是必不可少的光学器件, ,目前掺铒的目前掺铒的SiOSiO2 2纤维放大器已实现商业化。光纤通信的纤维放大器已实现商业

35、化。光纤通信的迅猛发展迅猛发展, ,将开辟铒的应用新领域。将开辟铒的应用新领域。(2)(2)掺铒的激光晶体掺铒的激光晶体及其输出的及其输出的1730nm1730nm激光和激光和1550nm1550nm激光对人的眼睛安全激光对人的眼睛安全, ,大大气传输性能好气传输性能好, ,保密性好保密性好, ,照射军事目标的对比度较大照射军事目标的对比度较大, ,已已制成军事上用的对人眼安全的便携式激光测距仪。制成军事上用的对人眼安全的便携式激光测距仪。 (3)Er (3)Er3+3+加入到玻璃中可制成稀土玻璃激光材料加入到玻璃中可制成稀土玻璃激光材料, ,是目是目前输出脉冲能量最大前输出脉冲能量最大, ,

36、输出功率最高的固体激光材料。输出功率最高的固体激光材料。(4)Er(4)Er3+3+还可做稀土上转换激光材料的激活离子。还可做稀土上转换激光材料的激活离子。(5)(5)铒铒也可应用于眼镜片玻璃、结晶玻璃的脱色和着色等。也可应用于眼镜片玻璃、结晶玻璃的脱色和着色等。铥铥(69Tm)(69Tm)铥的主要用途有铥的主要用途有: :( (1)1)铥用作医用轻便铥用作医用轻便X X光机射线源。光机射线源。(2)(2)铥元素还可应用于临床诊断和治疗肿瘤铥元素还可应用于临床诊断和治疗肿瘤, ,重稀土比轻稀土重稀土比轻稀土亲合性更大亲合性更大, ,尤其以铥元素的亲合力最大。尤其以铥元素的亲合力最大。(3)(3

37、)铥在铥在X X射线射线增感屏用荧光粉中做激活剂增感屏用荧光粉中做激活剂LaOBr:Br(LaOBr:Br(蓝色蓝色),),达到增强光达到增强光学灵敏度，降低了学灵敏度，降低了X X射线对人的照射和危害射线对人的照射和危害, ,与以前钨酸与以前钨酸钙增感屏相比可降低钙增感屏相比可降低X X射线剂量射线剂量50%,50%,这在医学应用具有重这在医学应用具有重要现实的意义。要现实的意义。(4)(4)铥还可在新型照明光源铥还可在新型照明光源 金属卤素灯金属卤素灯做添加剂。做添加剂。(5)Tm(5)Tm3+3+加入到玻璃中可制成稀土玻璃激光材加入到玻璃中可制成稀土玻璃激光材料料, ,这是目前输出脉冲量

38、最大这是目前输出脉冲量最大, ,输出功率最高的固体激光输出功率最高的固体激光材料。材料。TmTm3+3+也可做稀土上转换激光材料的激活离子。也可做稀土上转换激光材料的激活离子。 镱镱(70Yb)(70Yb)镱的主要用途有镱的主要用途有(1)(1)作热屏蔽涂层材料。作热屏蔽涂层材料。(2)(2)作作超磁致伸缩材料。这种材料具有超磁致伸缩性即超磁致伸缩材料。这种材料具有超磁致伸缩性即在磁场中膨胀的特性。该合金主要由镱在磁场中膨胀的特性。该合金主要由镱/ /铁氧体合铁氧体合金及镝金及镝/ /铁氧体合金构成铁氧体合金构成, ,并加入一定比例的锰并加入一定比例的锰, ,以以便产生超磁致伸缩性。便产生超磁

39、致伸缩性。(3)(3)用于测定压力的镱元件用于测定压力的镱元件, ,镱元件在标定的压力范围内灵敏度高镱元件在标定的压力范围内灵敏度高, ,同时为镱在同时为镱在压力测定应用方面开辟了新途径。压力测定应用方面开辟了新途径。(4)(4)磨牙空洞的磨牙空洞的树脂基填料树脂基填料, ,以替换过去普遍使用银汞合金。以替换过去普遍使用银汞合金。(5)(5)日本学者成功地完成了掺镱钆镓石榴石埋置线路日本学者成功地完成了掺镱钆镓石榴石埋置线路波导激光器的制备工作波导激光器的制备工作, ,对激光技术的进一步发展对激光技术的进一步发展很有意义。镱还用于荧光粉激活剂、电子陶瓷、很有意义。镱还用于荧光粉激活剂、电子陶瓷

40、、计算机记忆元件计算机记忆元件( (磁泡磁泡) )添加剂、和玻璃纤维助熔添加剂、和玻璃纤维助熔剂以及光学玻璃添加剂等剂以及光学玻璃添加剂等。镥镥(71Lu)(71Lu)镥的主要用途有镥的主要用途有(1)(1)制造某些特殊合金。例如制造某些特殊合金。例如镥铝合金可用于中子活化分析。镥铝合金可用于中子活化分析。(2)(2)稳定的镥核稳定的镥核素在石油裂化、烷基化、氢化和聚合反应中起催素在石油裂化、烷基化、氢化和聚合反应中起催化作用。化作用。(3)(3)钇铁或钇铝石榴石的添加元素钇铁或钇铝石榴石的添加元素, ,改善改善某些性能。某些性能。(4)(4)磁泡贮存器的原料。磁泡贮存器的原料。(5)(5)一

41、种复合一种复合功能晶体掺镥四硼酸铝钇钕功能晶体掺镥四硼酸铝钇钕, ,属于盐溶液冷却生属于盐溶液冷却生长晶体的技术领域长晶体的技术领域, ,实验证明实验证明, ,掺镥掺镥NYABNYAB晶体在光晶体在光学均匀性和激光性能方面均优于学均匀性和激光性能方面均优于NYABNYAB晶体。晶体。(6) (6) 国外有关研究发现国外有关研究发现, ,镥在电致变色显示和低维分镥在电致变色显示和低维分子半导体中具有潜在的用途。此外子半导体中具有潜在的用途。此外, ,镥还用于能镥还用于能源电池技术以及荧光粉的激活剂等。源电池技术以及荧光粉的激活剂等。钇钇(39Y) (39Y) Y Y是一种用途广泛的金属是一种用途

42、广泛的金属, ,主要用途有主要用途有: :(1)(1)钢铁及有色合金的添加剂。钢铁及有色合金的添加剂。FeCrFeCr合金通常含合金通常含0.5-0.5-4%Y,Y4%Y,Y能够增强这些不锈钢的抗氧化性和延展性能够增强这些不锈钢的抗氧化性和延展性;MB26;MB26合合金中添加适量的富金中添加适量的富Y Y混合稀土后混合稀土后, ,合金的综合性能得到明合金的综合性能得到明显的改善显的改善, ,可替代部分中强铝合金用于飞机的受力构件上可替代部分中强铝合金用于飞机的受力构件上; ;在在Al-ZrAl-Zr合金中加入少量富合金中加入少量富Y Y稀土稀土, ,可提高合金导电率可提高合金导电率; ;在在

43、铜合金中加入铜合金中加入Y,Y,提高了导电性和机械强度。提高了导电性和机械强度。(2)(2)含含Y6%Y6%和和Al2%Al2%的氮化硅陶瓷材料的氮化硅陶瓷材料, ,可用来研制发动机部件。可用来研制发动机部件。(3)(3)用用功率功率400W400W的钕钇铝石榴石激光束来对大型构件进行钻孔的钕钇铝石榴石激光束来对大型构件进行钻孔切削和焊接等机械加工。切削和焊接等机械加工。(4)(4)由由Y-AlY-Al石榴石单晶片构成的石榴石单晶片构成的电镜荧光屏电镜荧光屏, ,荧光亮度高荧光亮度高, ,对散射光的吸收低对散射光的吸收低, ,抗高温和抗抗高温和抗机械磨损性能好。机械磨损性能好。(5)(5)含含

44、Y Y达达90%90%的高钇结构合金的高钇结构合金, ,可应用可应用于航空和其它要求低密度和高熔点的场合。于航空和其它要求低密度和高熔点的场合。(6)(6)目前倍受目前倍受人们关注的掺人们关注的掺YSrZrOYSrZrO3 3高温质子传导材料高温质子传导材料, ,对燃料电池、对燃料电池、电解池和氢溶解度高的气敏元件的生产具有重要的意义电解池和氢溶解度高的气敏元件的生产具有重要的意义 Y Y还用于耐高温喷涂材料、原子能反应堆燃料的稀释剂、还用于耐高温喷涂材料、原子能反应堆燃料的稀释剂、永磁材料添加剂以及电子工业中作吸气剂等。永磁材料添加剂以及电子工业中作吸气剂等。钪钪(21Sc)(21Sc)钪的

45、钪的主要用途有主要用途有: :在冶金工业中在冶金工业中, ,钪常用于制造合金钪常用于制造合金( (合金的添加剂合金的添加剂),),以改善合金的强度、硬度和耐热和性以改善合金的强度、硬度和耐热和性能。如能。如: :在铁水中加入少量的钪在铁水中加入少量的钪, ,可显著改善铸铁的性能可显著改善铸铁的性能, ,少量的钪加入铝中少量的钪加入铝中, ,可改善其强度和耐热性。可改善其强度和耐热性。在电子工业中在电子工业中, ,钪可用作各种半导体器件钪可用作各种半导体器件, ,如钪的亚硫如钪的亚硫酸盐在半导体中的应用已引起了国内外的注意酸盐在半导体中的应用已引起了国内外的注意, ,含钪的含钪的铁氧体在计算机磁

46、芯中也颇有前途。铁氧体在计算机磁芯中也颇有前途。在化学工业上在化学工业上, ,用钪化合物作酒精脱氢及脱水剂，生用钪化合物作酒精脱氢及脱水剂，生产乙烯和用废盐酸生产氯时的高效催化剂。产乙烯和用废盐酸生产氯时的高效催化剂。在玻璃工业中在玻璃工业中, ,可以制造含钪的特种玻璃。可以制造含钪的特种玻璃。在电光源工业中在电光源工业中, ,含钪和钠制成的钪钠灯含钪和钠制成的钪钠灯, ,具有效率高具有效率高和光色正的优点。和光色正的优点。自然界中钪均以自然界中钪均以4545ScSc形式存在形式存在, ,另外另外, ,钪还有钪还有9 9种放射种放射性同位素性同位素, ,即即4044Sc和和4649Sc。其中。

47、其中, ,46ScSc作为示踪剂作为示踪剂, ,已已在化工、冶金及海洋学等方面使用。在医学上在化工、冶金及海洋学等方面使用。在医学上, ,国外还国外还有人研究用有人研究用4646ScSc来医治癌症。来医治癌症。2 2 稀土矿物资源稀土矿物资源 一一. .稀土元素的丰度稀土元素的丰度 稀土元素的丰度分为宇宙丰度和地壳丰度。稀土元素的丰度分为宇宙丰度和地壳丰度。 稀土元素在地壳中的分布有下述特点：稀土元素在地壳中的分布有下述特点： 1).171).17种稀土元素在地壳的丰度比一些常见元素还要高。种稀土元素在地壳的丰度比一些常见元素还要高。镧镧(Ln)(Ln)系和钇系和钇(Y)(Y)的总和大于常见的

48、元素铜和镍的总和大于常见的元素铜和镍(Ni)(Ni)。 2).2).地壳中地壳中, ,铈组元素的丰度钇组元素的丰度。铈组元素的丰度钇组元素的丰度。 3).3).无论是在太阳无论是在太阳, ,太阳系太阳系, ,陨石或月球中陨石或月球中, ,还是在地壳中还是在地壳中, ,稀土稀土元素的分布是不均匀的。元素的分布是不均匀的。稀土元素的丰度随原子序数稀土元素的丰度随原子序数(Z)(Z)的变化而都服从奇偶数变化规律的变化而都服从奇偶数变化规律: :原子序数为偶数的元素丰度大于相邻的原子序数为奇数的元素的原子序数为偶数的元素丰度大于相邻的原子序数为奇数的元素的丰度。这是由于核结合能和稳定性的改变取决于中子

49、数丰度。这是由于核结合能和稳定性的改变取决于中子数(N)(N)和质和质子数子数(Z)(Z)是奇数或偶数是奇数或偶数, ,中子数中子数(N)(N)和质子数和质子数(Z)(Z)都是偶数的核是最都是偶数的核是最稳定的稳定的; ;而中子数而中子数(N)(N)和质子数和质子数(Z)(Z)都是奇数的核的稳定性最小。都是奇数的核的稳定性最小。 4).4).地壳中的稀土元素集中于岩石圈中地壳中的稀土元素集中于岩石圈中, ,主要在花岗岩主要在花岗岩, ,伟晶岩伟晶岩, ,正长岩的岩石中正长岩的岩石中, ,钇组钇组(Y)(Y)元素和花岗岩岩浆结合得更紧密元素和花岗岩岩浆结合得更紧密, ,倾向倾向于出现在花岗岩类的

50、有关矿床中于出现在花岗岩类的有关矿床中; ;铈组铈组(Ce)(Ce)元素倾向于出现在不元素倾向于出现在不饱和的正长岩岩石中。饱和的正长岩岩石中。 二二. .稀土元素在矿物中的赋存形态稀土元素在矿物中的赋存形态稀土元素在矿物中主要是以下述三种形式贮存稀土元素在矿物中主要是以下述三种形式贮存1)1)参加晶格参加晶格: :构成矿物不可缺少的部分构成矿物不可缺少的部分, ,就是稀就是稀土矿物。例如土矿物。例如: :独居石独居石(LnYTh)PO(LnYTh)PO4 4和氟碳铈矿和氟碳铈矿RE(CORE(CO3 3)F)F等等, ,都是以铈都是以铈(Ce)(Ce)元素为主。全世界生产元素为主。全世界生产

51、的稀土产品绝大部分都是从这两种矿物中提取的的稀土产品绝大部分都是从这两种矿物中提取的2)2)以类质同晶置换以类质同晶置换(Ca,Sr,Ba,Mn,Zr,Th(Ca,Sr,Ba,Mn,Zr,Th等等) )的形的形式分散于造岩矿物中。例如式分散于造岩矿物中。例如: :磷钇矿磷钇矿, ,钛铀矿等钛铀矿等; ;3)3)呈离子吸附态存在于某些矿物表面和颗粒之呈离子吸附态存在于某些矿物表面和颗粒之间。间。它们的全称是它们的全称是“中国花岗风化岩淋积型离子吸中国花岗风化岩淋积型离子吸附态稀土矿附态稀土矿”。这是我国南方地区独有的稀土矿。这是我国南方地区独有的稀土矿。它们不需进行选矿它们不需进行选矿, ,可从

52、原矿中直接提取稀土元素。可从原矿中直接提取稀土元素。三三. .稀土元素的主要工业矿物稀土元素的主要工业矿物以稀土含量为主的矿物有以稀土含量为主的矿物有7070余种。而有工业价值的只余种。而有工业价值的只有有40405050种。目前工业上实际利用的稀土矿物只有种。目前工业上实际利用的稀土矿物只有1010多多种。轻稀土的原料矿物主要是种。轻稀土的原料矿物主要是: :独居石独居石(Ln,Y,Th)PO(Ln,Y,Th)PO4 4和氟和氟碳铈矿碳铈矿RE(CORE(CO3 3)F)F等。重稀土的原料矿物主要有等。重稀土的原料矿物主要有: :磷钇矿磷钇矿(Y,Ce,Er)PO(Y,Ce,Er)PO4 4

53、, ,褐钇钽矿褐钇钽矿Y(Ta,Nb)OY(Ta,Nb)O3 3, ,钛铀矿和离子吸附钛铀矿和离子吸附态稀土矿。稀土矿物中的稀土元素的含量由于产地的不态稀土矿。稀土矿物中的稀土元素的含量由于产地的不同而波动较大同而波动较大, ,配分也大不相同。我国稀土的矿物类型配分也大不相同。我国稀土的矿物类型多多, ,品种丰富。配分较全。有混合型稀土矿、独居石、品种丰富。配分较全。有混合型稀土矿、独居石、离子吸附态稀土矿、磷钇矿、褐钇铌矿、氟碳铈矿等。离子吸附态稀土矿、磷钇矿、褐钇铌矿、氟碳铈矿等。其中以混合型稀土矿、氟碳铈矿、独居石、离子吸附态其中以混合型稀土矿、氟碳铈矿、独居石、离子吸附态稀土矿最为重要

54、。稀土矿最为重要。1.1.混合型稀土矿：混合型稀土矿：它是由氟碳铈矿它是由氟碳铈矿(Ce,La)(CO(Ce,La)(CO3 3)F)F和独居石和独居石(Ln,Y)PO(Ln,Y)PO4 4混混合型稀土矿物。主要化学成分是稀土的氟碳酸盐和磷酸合型稀土矿物。主要化学成分是稀土的氟碳酸盐和磷酸盐。盐。 2.2.氟碳铈矿：氟碳铈矿：它是重要的铈它是重要的铈(Ce)(Ce)族稀土工业矿物。主要产地有美国族稀土工业矿物。主要产地有美国的蒙顿帕斯的蒙顿帕斯(Mountain Pass)(Mountain Pass)和中国内蒙古自治区的白和中国内蒙古自治区的白云鄂博。美国的氟碳铈矿比较容易选取云鄂博。美国的

55、氟碳铈矿比较容易选取, ,露天开采的矿露天开采的矿石通过粉碎、浮选、稀酸处理、焙烧所得精矿后石通过粉碎、浮选、稀酸处理、焙烧所得精矿后, ,进入进入下一步工序加工处理。下一步工序加工处理。中国包头钢铁公司所属的白云鄂博稀土矿中国包头钢铁公司所属的白云鄂博稀土矿( (氟碳铈矿氟碳铈矿) )是大型的是大型的REREFeFeNbNb的复杂伴生型矿山。所产的氟碳铈矿的复杂伴生型矿山。所产的氟碳铈矿与独居石、铁、铌与独居石、铁、铌(Nb)(Nb)、锰、磷、氟等元素共生、锰、磷、氟等元素共生, ,成分成分复杂复杂, ,要选取高品位的稀土精矿相当困难要选取高品位的稀土精矿相当困难, ,但是但是, ,稀土中稀土中的铕的铕(Eu)(Eu)元素含量极高元素含量极高, ,是美国、澳大利亚等地区的两是美国、澳大利亚等地区的两倍以上。因此倍以上。因此, ,