稀土在工業(yè)里有哪些應(yīng)用

　　稀土是化學(xué)周期表中鑭系元素和鈧、釔共十七種金屬元素的總稱，自然界中有250種稀土礦。稀土是從18世紀(jì)末開始陸續(xù)發(fā)現(xiàn)的，當(dāng)時人們常把不溶于水的固體氧化物稱為土，例如，將氧化鋁稱為陶土，氧化鈣稱為堿土等。稀土一般是以氧化物狀態(tài)分離出來的，當(dāng)時比較稀少，因而得名為稀土。

　　稀土也被稱為“工業(yè)黃金”和“工業(yè)維生素”，這表明它對工業(yè)的重要性。稀土的使用也經(jīng)歷了從初級到高級的階段。19世紀(jì)，人們開始用稀土制造煤氣燈罩、火石等物品，但現(xiàn)在稀土被廣泛應(yīng)用于電子、石化、冶金、機(jī)械、能源、農(nóng)業(yè)、航空航天等領(lǐng)域。事實上，稀土離我們不遠(yuǎn)，稀土元素被用于我們常見的熒光燈、液晶電視、手機(jī)和電腦。

　　稀土元素具有特殊的4f層電子結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出許多光、電、磁的特性。通過納米化后，稀土元素又有許多新特性，如小尺寸效應(yīng)、高比表面效應(yīng)、量子效應(yīng)、極強(qiáng)的光電磁聲性質(zhì)、超導(dǎo)性、高化學(xué)活性等，綜合性能大大提高，再通過摻雜或作為原料與其它材料組成性能各異、品種繁多的新型電子功能材料，如半導(dǎo)體材料、光電子材料、磁性材料、電子功能陶瓷材料、電能源材料、電子通訊材料，是電子信息產(chǎn)業(yè)不可或缺的重要組成部分。

　　這些材料已應(yīng)用于眾多電子元器件行業(yè)的產(chǎn)品中，且已形成一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。因此，電子信息產(chǎn)業(yè)是稀土重要的中高端應(yīng)用終端用戶。

　　在光電子材料中的應(yīng)用

　　稀土在光電子產(chǎn)業(yè)有眾多的應(yīng)用，其中涉及到光信息的產(chǎn)生、調(diào)制、傳輸、儲存、顯示及其他應(yīng)用。光電子材料主要分為光電功能晶體材料、光纖材料和顯示材料。光電功能晶體的種類眾多，目前已形成一定產(chǎn)業(yè)規(guī)模的主要有激光與非線性晶體、閃爍晶體、光學(xué)晶體(含窗口、LED襯底晶體)等晶體材料。

　　稀土元素是光電子技術(shù)領(lǐng)域必不可少的新材料。不同的稀土離子，由于其4f殼層電子數(shù)目的變化，表現(xiàn)出不同的性質(zhì)和具備不同的用途，如La3+(4f0)，Gd+(4f7)，Lu3+(4f14)和Y3+、Sc3+具有良好透光性，可作為晶體的基質(zhì);而Pr3+，Nd3+，Er3+，Ho3+，Tm³+，Yb3+用作激光材料的激活離子，Ce3+，Eu³+，Eu2+，Tb3+，Dy3+用于發(fā)光材料。同一個稀土離子也能在各種光學(xué)材料中發(fā)揮不同作用，如Yb3+既可以作為激光晶體的激活離子，又可作為紅外線和可見光學(xué)材料的敏化劑。

　　發(fā)光機(jī)理：稀土元素原子的電子構(gòu)型中存在4f軌道，當(dāng)4f電子從高能級以輻射方式躍遷至低能級時就發(fā)出不同波長的光。

　　在磁性材料中的應(yīng)用

　　磁性材料中的永磁(也稱硬磁)、軟磁和旋磁等磁性材料是信息產(chǎn)業(yè)的重要功能材料。自從1966年以來，永磁材料中增加了一個新成員，它就是“稀土永磁體”。稀土永磁材料是將釤、釹混合稀土金屬與過渡金屬(如鈷、鐵等)組成的合金，用粉末冶金方法壓型燒結(jié)，經(jīng)磁場充磁后制得的一種磁性材料。稀土永磁體優(yōu)異的性能，不僅促進(jìn)了永磁器件向小型化發(fā)展，提高了產(chǎn)品的性能，而且促使某些特殊器件的產(chǎn)生，它的出現(xiàn)為應(yīng)用打開了一扇全新的大門，所以稀土永磁材料一出現(xiàn)，立即引起各國的極大重視，發(fā)展極為迅速。

　　1970年代中期，第一代稀土永磁體1-5型Sm-Co開始商業(yè)化生產(chǎn)。1970年代后期，第二代稀土永磁體高性能2-17型Sm-Co開發(fā)成功。

　　釹鐵硼永磁體是日本住友特殊金屬公司(2007年并入日立金屬公司)和美國通用汽車公司(后分離成Magnequench公司)于1983年最先研制成功的。它的磁能積比目前通常使用的鐵氧體高十倍，是當(dāng)今世界上磁性最強(qiáng)的材料，有"磁王"之美譽(yù)。進(jìn)入21世紀(jì)以來，由于中國稀土永磁產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，使得稀土永磁產(chǎn)業(yè)的國際格局發(fā)生了重大變化。釹鐵硼物美價廉，應(yīng)用越來越廣泛，但釤鈷永磁體(2-17型Sm-Co為主)獨特的優(yōu)勢(例如工作溫度高，溫度系數(shù)小，抗腐蝕強(qiáng)等)，仍然在軍工、航空航天等方面占有牢固的地位。

　　在電子功能陶瓷材料中的應(yīng)用

　　在電子陶瓷材料中，稀土的電磁功能起了很大作用。目前人們開發(fā)成功的稀土陶瓷包括：

　　①電子陶瓷：主要包括壓電陶瓷(用于力、聲、位置速度傳感器，紅外傳感器，電光敏感元件，各種壓電振子和換能器);微波介質(zhì)陶瓷(用于微波通訊和衛(wèi)星通訊電容器)等。

　　②半導(dǎo)體陶瓷：半導(dǎo)體陶瓷具有獨特的電學(xué)性能，同時還具有優(yōu)良的機(jī)械性能、熱性能和良好的化學(xué)穩(wěn)定性。Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho或Er等稀土元素均可使BaTiO3陶瓷半導(dǎo)體化。

　　③智能化陶瓷：既能傳感磁性、溫度和氣體，又像介電元件那樣具有執(zhí)行功能;在已發(fā)展的傳感器和驅(qū)動器中，陶瓷材料占有很大一部份：如壓電、電聲、光電、熱電、磁熱、電致冷或磁致伸縮、相變、生物、熱電陶瓷等。

　　④鐵電陶瓷和反鐵電陶瓷：電致應(yīng)變小，介電損耗低，適合制作高壓、高儲能密度、長工作壽命的儲能電容器。此外，還有超導(dǎo)陶瓷、光學(xué)陶瓷、納米陶瓷等。

　　鋯鈦酸鉛PbTiO3壓電陶瓷簡稱PZT陶瓷，是壓電陶瓷材料中用得最多最廣的一種。通過添加Nb、La、Sb、Cr、Mn等元素來改性，可以制成許多不同用途的PZT型壓電陶瓷。

　　在電能源材料中的應(yīng)用

　　稀土功能材料和稀土摻雜在電化學(xué)儲能領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，通過稀土離子摻雜、稀土離子包覆電極材料，穩(wěn)定了電極材料結(jié)構(gòu)、改善電極材料電子電導(dǎo)率、離子擴(kuò)散，能夠有效提升電極材料的電化學(xué)性能。稀土離子的電負(fù)性和離子尺寸是調(diào)節(jié)鋰離子電池和超級電容器電極材料性能的關(guān)鍵因素。

　　在信息通訊領(lǐng)域中的應(yīng)用

　　大規(guī)模集成電路在信息通訊領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。隨著電子技術(shù)向高性能、多功能、大容量、微型化方向發(fā)展，半導(dǎo)體芯片集成度越來越高，晶體管尺寸越來越小，傳統(tǒng)的SiO2柵介質(zhì)薄膜就會存在漏電甚至絕緣失效的問題，目前采用鉿、鋯及稀土改性的稀有金屬氧化物薄膜解決核心漏電問題。如果進(jìn)一步降低線寬，則需采用更高介電常數(shù)的稀土柵介質(zhì)材料。

　　參考資料：

　　1、稀土在電子功能材料領(lǐng)域的應(yīng)用;楊麗，張文燦，郭詠等著。

　　2、稀土元素在光電子技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用，洪廣信著。

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