稀土新材料及其在高技术领域的应用doc

1、稀土新材料及其在高技术领域的应用陈占恒摘要：本文简要叙述了稀土新材料及其在高技术领域的应用，并进行了简要分析，认为提高我国稀土产业自身高技术应用水平以及开发稀土新材料及其在高技术领域应用技术是实现稀土资源优势向经济优势转化的根本出路。关键词：稀土；稀土新材料；高技术应用稀土元素独特的物理化学性质，决定了它们具有极为广泛的用途。稀土元素具有独特的4f电子结构，大的原子磁距，很强的自旋轨道耦合等特性，与其它元素形成稀土配合物时，配位数可在312之间变化，并且稀土化合物的晶体结构也是多样化的。在新材料领域，稀土元素丰富的光学、电学及磁学特性得到了广泛应用。在高技术领域，稀土新材料发挥着重要的作用。稀

2、土新材料主要包括稀土永磁材料、稀土发光材料、稀土贮氢材料、稀土催化剂材料、稀土陶瓷材料及其它稀土新材料如稀土超磁致伸缩材料、巨磁阻材料、磁致冷材料、光致冷材料、磁光存储材料等。1稀土永磁材料稀土永磁材料因其合金成份不同，目前可分为三类1:(1)稀土-钴永磁材料：SmCo5、Sm2Co17;(2)稀土-铁永磁材料：Nd2Fe14B;(3)稀土铁氮(RE-Fe-N系)或稀土铁碳(RE-Fe-C系)永磁材料。按开发应用的时间顺序可分为第一代(15型SmCo5)、第二代(27型Sm2Co17)、第三代(NdFeB)，目前正在积极开发寻找第四代稀土永磁体。Sm2Co17具有较高的磁性能和稳定性，得到了广

3、泛的应用。80年代Nd2Fe14B型稀土永磁体问世，因其优异的性能和较低的价格很快在许多领域取代了Sm2Co17型稀土永磁体，并很快实现了工业化生产。日本已开发出了磁能积为55.8MGOe的Nd2Fe14B型稀土永磁体。NdFeB永磁体已广泛地用于能源、交通、机械、医疗、计算机、家电等领域。中国NdFeB产量1998年占世界总产量的38%，总量为3850吨。但中国NdFeB产业仍未形成规模化经营，产品多为中低档产品，磁能积一般小于45MGOe，多为40MGOe以下产品，因而多用于音响器材、磁化器、磁选机等中低档领域；而日本NdFeB生产只集中于几个大厂，其产品多为40MGOe以上产品，多用于计

4、算机VCM、新型电机、MRI等高技术领域。中国NdFeB产业只有实现规模化、产业集团化、产品质量高性能化，才能在国际竞争中立于不败之地，并带动稀土产业的发展。2稀土发光和激光材料稀土发光材料的优点是吸收能力强，转换率高，可发射从紫外到红外的光谱，在可见光区域，有很强的发射能力，且物理化学性质稳定。稀土发光材料因其激发方式不同又可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、稀土上转换发光材料及其它稀土功能发光材料。目前，稀土发光材料主要用于彩电显像管、计算机显示器、照明、医疗设备等方面。稀土发光材料用量最大的是彩电显像管、计算机显示器、稀土三基色节能灯、PDP等离

5、子显示屏。彩电显像管和计算机显示器使用的稀土发光材料属阴极射线发光材料。目前彩管中红粉普遍使用的是铕激活的硫氧化钇Y2O2SEu磷光体，粒度68m，计算机显示器要求发光材料提供高亮度、高对比度和清晰度，其红粉也采用Y2O2SEu,但Eu含量要高一些，绿粉为Tb3+激活的稀土硫氧化物 Y2O2STb,Dy及Gd2O2STb,Dy高效绿色荧光体，粒度为46m。有消息报导说蓝粉也将由稀土发光材料取代锌、锶硫化物粉2。大屏幕投影电视的红粉也为Y2O2SEu，绿粉为Tb激活的稀土发光材料。投影电视用荧光粉每年可消费数吨稀土氧化物。PDP等离子显示屏中的稀土发光材料为电致发光材料，红色为ZnSiNdF3、

6、ZnSiSmF3和ZnSiEuF3薄膜，绿色为ZnSiTbF3、ZnSiErF3和ZnSiHoF3薄膜，由于蓝色发光材料ZnSiTmF3亮度很低，因而使用了不含稀土的ZnSiAg。PDP属平板显示技术，随着市场对PDP电视需求的增加，稀土的消费会进一步扩大。稀土发光材料的另一项重要应用是稀土三基色节能灯，它使用的稀土三基色荧光粉是光致发光材料，稀土节能灯发光效率高，节约电力，其开发应用受到世界各国重视。此外，还有稀土上转换发光材料，广泛用于红外探测。某些上转换稀土发光材料如BaYF5Yb,Er可将红外线转换成可见光，夜视镜中使用的就是这种材料。稀土激光材料是与激光同时诞生的，稀土是激光工作物质

7、中很重要的元素，90%的激光材料都与稀土有关。稀土激光材料可分为固体、液体和气体三大类，以稀土固体激光材料的应用最广。稀土固体激光材料又可以分为晶体、玻璃、光纤及化学计量激光材料。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。稀土光纤激光材料在现代光纤通讯的发展中起着重要作用。光信号直接放大技术是为补偿长距离传送过程中光衰减而开发的。掺铒光纤放大器(EDFA)的开发应用及其它高技术的发展，使现代光纤通信取得了长足的进步。稀土在光纤中用量很少，世界总用量仅为公斤级，但所起的作用是决定性的。3稀土贮氢材料贮氢材料的开发使氢作为能源实用化成为可能。在能源短缺和环境污染日益严重的今天，贮

8、氢材料的开发与应用自然成为研究的热点。稀土与过渡族元素的金属间化合物MMNi5(MM为混合稀土金属)及LaNi5是优良的吸氢材料，可用作氢的提纯、分离和回收。稀土贮氢材料的另一项重要应用是可以被用作Ni/MH电池的阴极材料。镍氢电池与传统的镍镉电池相比，其能量密度提高两倍，且无污染，被称为绿色能源。Ni/MH电池应用广泛，如笔记本电脑、计算机、摄像机、收录机、数码相机、通讯器材等，还有一项潜在的重要用途为电动汽车。4稀土催化剂材料稀土催化剂材料已广泛应用于石油裂化、合成橡胶、石油化工及汽车尾气净化等领域中。目前由于我国对环保的重视，对空气污染治理措施加强，刺激了汽车尾气净化器的市场需求，汽车尾

9、气催化剂材料的开发应用进一步受到重视。采用铂铑等贵金属的催化剂活性高，净化效果好，但价格昂贵，而稀土汽车尾气催化剂因其价格低，热稳定性和化学稳定性好，活性较高，寿命长，抗Pb、S中毒，极受重视。汽车尾气中的主要污染物为CO、HC、NOx。调查表明，城市污染的主要来源是汽车尾气，有效控制汽车尾气污染物含量是提高空气质量的主要途径。在一定条件下，贵金属催化剂和稀土催化剂可以同时净化CO、HC和NO。此外在催化剂载体中加入La、Ce、Y等稀土元素还能提高载体的高温热稳定性、机械性能、抗高温氧化性能。美国汽车催化剂消费量可观，1995年消费稀土占其当年总稀土消费量的44%，达到11000吨，1997年

10、美国各种催化剂中的稀土占其消费总量的65%(汽车尾气和石油裂化)，达到12045吨。我国对稀土汽车尾气净化催化剂的需求尚未形成规模，但随着国家对治理环境污染的重视及相关政策的制定，稀土汽车尾气催化材料必将得到广泛应用，并成为我国稀土应用的又一重要领域，从而带动稀土工业的发展。5稀土功能陶瓷和高温结构陶瓷稀土陶瓷材料中稀土元素是以掺杂的形式出现的，微量的稀土掺杂可以极大地改变陶瓷材料的烧结性能、微观结构、致密度、相组成及物理和机械性能。稀土功能陶瓷包括绝缘材料(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、电光陶瓷材料、热电陶瓷材料、化学吸附材料等，还有固体电解质材料。在传统的

11、压电陶瓷材料如PbTiO3、PbZrxTi1-xO3(PZT)中掺杂微量稀土氧化物如Y2O3、La2O3、Sm2O3、CeO2、Nd2O3等可以大大改善这些材料的介电性和压电性，使它们更适应实际需要，现在PZT压电陶瓷已广泛地用于电声、水声、超声器件、信号处理、红外技术、引燃引爆、微型马达等方面。由压电陶瓷制成的传感器已成功用于汽车空气囊保护系统。在移动电话和计算机中使用了大量的多层陶瓷电容器，稀土元素如La、Ce、Nd在其中发挥着重要作用。对稀土半导体陶瓷的研究十分活跃，这种材料主要有BaTiO3基掺杂稀土和SrTiO3基掺杂稀土，稀土掺杂在这种效应中发挥着关键作用，PTC热敏半导材料可用作

12、过电过热保护元件、温度补偿器、温度传感器、延时元件、消磁元件等。稀土高温超导材料也是国际上的热门研究课题。由于稀土氧化物La-Ba-Cu-O系超导体的发现及其以后的研究，超导材料的居里温度Tc有了很大提高。我国在高温超导研究方面处于国际领先地位，Y-Ba-Cu-O体系的制备技术、应用技术及应用基础研究取得了不同程度的进展，RE-Ba-Cu-O超导体的Tc为8090K，此外我国还合成了碱金属系稀土掺杂超导体如(Sr,Nd)CuO2和Sr1-xYxCuO26。超导材料应用广泛，可用作超导电磁体用于磁悬浮列车，可用于发电机、发动机、动力传输、微波等方面。稀土高温结构陶瓷，主要指掺杂稀土的Si3N4、

13、SiC、ZrO2等耐高温、高强度、高韧性陶瓷，是工程陶瓷。掺杂稀土(La、Y)的Si3N4陶瓷及其复合材料可用于高温燃气轮机、陶瓷发动机、高温轴承等高技术领域，其工作温度最高可达1650。氮化硅陶瓷轴承可用于一些特殊环境如有电磁场的环境，其温度适应范围为-40+200，并可在无法润滑的环境中使用。而掺杂稀土的ZrO2增韧陶瓷可用作耐磨材料如内燃机零部件、刀片、模具镶嵌件、计算机驱动元件、密封件与陶瓷轴承等。6其它稀土新材料稀土新材料家族成员众多，难以详述。除以上提及的几类稀土新材料外，还有以下一些不同用途的稀土新材料，如稀土超磁致伸缩材料、磁致冷材料、稀土磁光存储材料、巨磁阻材料、光致冷材料、

14、稀土发热材料等。 磁致伸缩材料应用极其广泛，如声纳系统、飞机燃料系统、液压系统、地震探测系统、有源振动控制系统等，最典型的应用是水下通讯中声纳传感器的换能器。磁致冷材料是用于致冷系统的具有磁热效应的物质。目前一种新型磁致冷材料Gd5Si4Ge2已被开发出来，其优点是磁热效应大，且使用温度可以从30K左右调整到290K。美国已成功开发出第一台室温磁致冷样机。用磁致冷材料代替传统制冷剂，不仅可以减少环境污染，还可以节约电能，且致冷材料可以重复使用。也许有一天冰箱和空调机中也会采用磁致冷机。稀土磁光存储材料是稀土与过渡金属的非晶态薄膜RE-TM(RE=Gd,Dy,TM=Fe,Co)。这种材料被用作磁

15、光盘MO，可随机读写信息，容量极大(可达2.6GB)，读写速度快。磁光存储材料在信息时代发挥着重要作用。巨磁阻材料的研究近几年来引起了人们极大的兴趣。磁阻即对某种材料施加磁场后其电阻率发生改变。巨磁阻材料与传统磁阻材料相比，其电阻率的改变要大于10%。7结语稀土新材料种类繁多，用途甚广，随着研究与开发的进一步深入，新的稀土新材料将会不断涌现。稀土家族确实是一组神奇的元素，它们在众多新材料中起着十分重要的作用，与现代高科0技的发展关系极为密切。稀土新材料在能源、环境、信息等诸多领域发挥着不可替代的作用。但总的来讲，我国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

16、究与开发处于跟踪模仿状态。在应用方面，在将科研成果转化为生产力方面，我们的速度赶不上日本。从某种角度讲，稀土新材料的研究开发应用水平，标志着一个国家高科技发展水平，也是一种综合国力的象征。与美、日、法等发达国家相比，虽然我国在稀土新材料的研究、开发、应用方面有一定差距，但在党和政府的关怀下，近些年我国稀土工业的发展速度很快，稀土的研究与开发也取得长足的进步，应用水平也在逐渐提高，基础研究正在加强。中国是稀土资源最丰富的国家，我们的目标就是要将资源优势转化为经济优势。要实现这一目标，根本出路在于提高我国稀土产业自身高科技应用水平，提高稀土产品质量，并进一步开发稀土新材料在高科技领域的应用技术。稀

17、土产业是一个很有前途的产业，随着稀土高科技的产业化，我国稀土工业的明天会更好。作者简介：陈占恒（1968-）,男,硕士,中国稀土学会办公室高级工程师作者单位：陈占恒（中国稀土学会办公室，北京100081）参考文献：1徐光宪主编.稀土(第2版)M.北京：冶金工业出版社，1978.2欧阳世翕.稀土在高新技术产业中应用及发展J.稀土信息，1999,(5):8.3Yu Zong-sen,Chen Min-bo.Rare earth elements and their applicationM.Beijing:Metallurgical Industry Press,1995.199.4张晓，刘行仁.SrF2晶体中Ho3+-Ho3+离子对的上转换发光研究J.中国稀土学报，1999,17(2):111.5邱巨峰主编.稀土在汽车尾气净化催化剂中应用C.翁