材料化学第6节

1、 3.6.1稀土发光材料我国是世界稀土资源最丰富的国家，储量超过世界总量的40%，在稀土研究方面有着得天独厚的优势。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。稀土元素由于原子的结构特殊，电子能级异常丰富，具有许多优异的光、电、磁、核等特性，被称为，现代工业的维生素”和神奇的，新材料宝库。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。稀土新材料主要包括稀土发光材料、稀土永磁材料、稀土超磁致伸缩材料、稀土陶瓷材料，以及其他稀土新材料，如巨磁阻材料、磁致冷材料、光致冷材料、磁光存储材料等。物质发光现象大致分为两类：一类是物质

2、受热，产生热辐射而发光；另类是物体受激发吸收能量而跃迁至激发态（非稳定态）在返回到基态的过程中，以光的形式放出能量。以稀土化合物为基质和以稀土元素为激活剂的发光材料多属于后一类即稀土荧光粉。稀土元素原子具有丰富的电子能级，因为稀土元素原子的电了构型中存在州六道，为多种能级跃迁创造了条件，从而获得多种发光性能。稀土是个巨大的发光材料宝库，在人类开发的各种发光材料中，稀土元素发挥着非常重要的作用。根据激发源的不同，稀土发光材料可分为以X射线激发稀土发光材料光致发光材料以紫外光或可见光激发阴极射线发光材料以电子束激发电致发光以电场激发X射线发光 1光致发光材材料一一灯用荧光粉稀土荧光粉主要应用于办公

3、室、百货商店和工厂中的高性能荧光灯。2阴极射线发光材材料一一显示用荧光粉主要用于电视机、示波器、雷达和计算机等各类荧光屏和显示器。3，阴极射线发光材材料一一显示用荧光粉为实现彩色电致发光平板显示，目前大力研究开发掺杂稀土的电致发光的薄膜材料，一种等离子显示板（PlaslnadisPlaypanel.PDP）己经开发成功，制成了壁挂式的彩色电视机。PDP发光原理是在两块基玻璃基板之间的惰性气体在电压作用卜发生气体放电而产生紫外线，进而激发三基色荧光粉而产生光。由于POP响应速度快、视角大、亮度高从而可制成大屏幕。 4高技术用特种发光材料高技术用特种发光材料主要开发光电子信息技术需要的发光材料，如

4、衰减速度快、能量转换效率高、耐辐照的主要开发光电子信息技术需要的发光材料，如衰减速度快、能量转换效率高、耐辐照的新型新型闪烁体闪烁体，用于高能加速器和，用于高能加速器和X射线层析仪，光通信需要的红外卜转换材料等。射线层析仪，光通信需要的红外卜转换材料等。5荧光粉的其他应用荧光粉的其他应用(l）液晶后照式光源）液晶后照式光源后照式光源部分使用电发光控制板，主要采用亮度及色彩优异的荧光灯。但这种荧光灯后照式光源部分使用电发光控制板，主要采用亮度及色彩优异的荧光灯。但这种荧光灯的管径相当于家用灯（普通直径为的管径相当于家用灯（普通直径为30Inm）的）的1/10左右，灯管长度也很短，因此荧光粉的左右

5、，灯管长度也很短，因此荧光粉的用量很少，但对普通荧光灯来说，重要的是亮度和色彩再现性，用于后照式灯时，还要用量很少，但对普通荧光灯来说，重要的是亮度和色彩再现性，用于后照式灯时，还要求高负荷条件下的使用寿命长所以，虽然荧光粉的基本组成相同，但合成方法和表面求高负荷条件下的使用寿命长所以，虽然荧光粉的基本组成相同，但合成方法和表面处理工艺不同。处理工艺不同。(2）增感屏）增感屏医用医用X射线照相时，为将射线照相时，为将X射线图像转换为可视图像，需使用增感屏增感屏也有多射线图像转换为可视图像，需使用增感屏增感屏也有多种，其中高灵敏度增感屏使用种，其中高灵敏度增感屏使用“2025:Tb荧光粉与其他荧

6、光粉相比，荧光粉与其他荧光粉相比，2025:Tb可通过可通过X射线励磁发出高效率的白光或绿光佑计这种荧光粉在日本的年产量为射线励磁发出高效率的白光或绿光佑计这种荧光粉在日本的年产量为20t左右。左右。 16.2稀土磁性材料1稀土永磁材料稀土永磁材料是以稀土金属和过渡族元素为主所组成、能长期保持磁性的金属间化合物。它具有高饱和磁化强度、高各向异性场和较高的居里温度等永磁材料所必备的性能。稀土永磁材料经历了3个阶段的发展：20世纪60年代发明20世纪70年代发明，磁能积有了较大提高，特别是温度稳定性好：但由于主要原料是Sm和CO，成木高，一般用于军工等特殊领域。20世纪80年代发明是当今磁能积最高

7、的永磁材料由于稀土永磁材料的高磁能积和高矫顽力等优异的特性，己给永磁应用带来了革命性的变化，稀土永磁材料应用于工业如一般电机，大电机如磁力泵、磁选设备、永磁吊车，医疗和家用电器等方面，主要表现在以下几个方面：(l）工业稀土永磁体的出现，意味着电机领域将引起革命性的变化这是因为稀土永磁体没有激磁损耗，不发热，用它制造的电机优点很多永磁电机，尤其是微电机，每年世界产量约几亿台之多，主要用在汽车、办公自动化设备和家用电器中所使用的多为高性能的铁氧体和稀土永磁体。一般的磁选机有永磁式和电磁式两种，以前，永磁式磁选机的磁体多用铁氧体。稀土永磁出现后，设计并制造了各种型号和类型的永磁磁选机，尤其是在中高磁

8、场磁选机中，必须用稀土永磁体。(2）医疗医院里用的核磁共振成像仪需要有强大的磁场系统支撑稀土永磁材料还被广泛应用于磁场疗法，即通常所说的“磁疗”. (3）电器扬声器和耳机是永磁体传统应用领域。扬声器有外磁式和内磁式两种，稀土永磁出现后在同样输出功率与音质下，扬声器被做得非常小，目前稀土永磁扬声器和耳机已应用到高级随身听在计算机中使用的稀土永磁材料最多的器件是磁盘驱动电机（vcM)，另一种是数据输出打印机电机还有很多种类的仪表，如磁电式仪表、计数器等使用永磁体。微波器件如微波管、毫波管发生器或放大器需要稳定磁场，稀土永磁体在此中主要起电子运动的聚集作用。2稀土磁致冷材料磁致冷材料是用于磁致冷系统

9、的具有磁热效应的物质。磁致冷首先是给磁体加磁场，使磁矩按磁场方向整齐排列，然后再撤去磁场，使磁矩的方向变得杂乱，这时磁体从周围吸收热量，通过热交换使周围环境的温度降低，达到致冷的目的。磁致冷材料是磁致冷机的核心部分，即一般称谓的制冷剂或制冷工质。磁致冷所用的制冷材料基本都是以稀土金属为主要组元的合金或化合物，尤其是室温磁致冷几乎全是采用稀土金属Gd或Gd基合金。磁致冷制冷效率高，能量消耗低，更主要的是使用无害、无环境污染的稀土材料作为制冷工质，取代目前使用氟利昂制冷剂的冷冻机、电冰箱、冰拒及空调器等，可以消除由于生产和使用氟利昂类制冷剂所造成的环境污染和大气臭氧层的破坏，因而能保护人类的生存环

10、境，具有显著的环境和社会效益。低温磁致冷装置具有小型化和高效率等独特优点，广泛应用于低温物理、磁共振成像仪、粒子加速器、空间技术、远红外探测及徽波接收等领域，莱些特殊用途的电子系统在低温环境下，其可靠性和灵敏度能够显著提高3稀土磁光材料磁光材料是指在紫外到红外波段，具有磁光效应的光信息功能材料。稀土元素由于4f电子层未填满，因而产生未抵消的磁矩，这是强磁性的来源，由于4f电子的跃迁，这是光激发的起因，从而导致强的磁光效应。单纯的稀土金属并不显现磁光效应，这是由于稀土金属至今尚未制备成光学材料只有当稀土元素掺入光学玻璃、化合物晶体、合金薄膜等光学材料之中，才会显现稀土元素的强磁光效应。利用这类材

11、料的磁光特性以及光、电、磁的相互作用和转换，可制成具有各种功能的光学器件，如调制器、隔离器、环行器、开关、偏转器、光信息处理机、显示器、存储器、激光陀螺偏频磁镜、磁强计、磁光传感器、印刷机等。3.6.3稀土催化材料催化剂是一种能够改变反应速率但自身不发生化学变化的物质。它不参与反应，但少量存在就能加快反应，即改变化学反应速率。稀土催化剂及助催化剂种类繁多，但目前形成产业化的只有石油裂化催化剂、汽车尾气净化催化剂及合成橡胶催化剂。由于稀土与其他金属催化组分具有良好的协同作用，因而稀土催化材料不仅具有良好的催化性能，而且具有良好的抗中毒性能和很高的稳定性。例如钟可变价，具有良好的储放氧功能，广泛应

12、用于汽车尾气净化催化剂中；悯具有很好的稳定性能，己成为催化领域的重要合成元素。随着汽车的普及和人们对汽车尾气污染危害认识的加深。要求控制汽车尾气污染的呼声越来越高。汽车排气限制措施促进了对汽车尾气的治理，特别是促进了对汽车尾气净化催化剂和汽车尾气净化装置的研究。汽车尾气中的有害成分主要有一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（Nox）。稀土汽车尾气净化催化剂所用的稀土主要是以氧化钟、氧化错和氧化悯的混合物为主，稀土汽车尾气净化催化剂由稀土与钻、锰、铅的复合氧化物组成，是一类二元催化剂，具有钙钦矿、尖晶石型结构，氧化还原活性较高，其中氧化钟是关键成分。由于氧化钟的氧化还原特性，能有效地控

13、制排放尾气的组分。净化汽车尾气的催化剂在汽车排气管内，借助于排气温度和空气中氧的浓度，对尾气中的CO、HC和Nox同时起氧化还原作用，使其转化成无害物质CO2，H2O,N2。用于汽车尾气净化催化剂的载体通常有陶瓷、金属蜂窝体、氧化铝小球和金属网状骨架等。稀土可作为陶瓷载体的稳定剂，也可作为活性组分。天然气催化燃烧催化剂近年来己成为一个研究热点，随着煤和石油资源的日益枯竭，天然气作为一种清洁能源发挥着愈来愈重要的作用。天然气在普通燃烧时，由于操作温度很高（有时近2000），会有大量氮氧化物（NO）形成，对环境造成污染，而且燃烧效率较低，易熄火。天然气催化燃烧是一种无焰燃烧，将甲烷与空气进行预混合后，均匀通过催化床层，在活性粒子的催化作用下实现燃烧，具有很高的燃烧效率与能量利用率。由于催化燃烧工作温度都