《稀有金属元素化学》课件2

稀有金属元素化学探索地球稀缺宝藏揭秘现代工业关键材料课程概述1稀有金属的定义地壳含量低2稀有金属的分类五大类别3课程结构稀有金属的定义地壳含量较少占比通常低于0.1%分布稀散不易形成富集区难以提取稀有金属的分类稀有轻金属锂、铷、铯、铍等稀有难熔金属钛、锆、铪、钼、钨等稀有分散金属镓、铟、铊、锗等稀土金属镧系元素及钇、钪稀有放射性金属铀、钍等稀有轻金属概述密度小于4.5g/cm³化学活性强锂（Li）的性质物理性质最轻的金属元素密度仅为0.534g/cm³银白色，质软熔点180.5℃化学性质标准电极电位-3.045V与水反应放出氢气能与氮直接反应形成离子化合物锂的应用锂电池高能量密度航空航天材料轻质合金核聚变反应堆氚增殖材料铷（Rb）和铯（Cs）物理化学性质碱金属反应活性极强熔点低（铷39.3℃,铯28.4℃）主要应用领域原子钟光电探测器太空推进系统铍（Be）的特性轻质高强密度1.85g/cm³中子透过性好核反应堆材料毒性高严格防护要求稀有难熔金属概述高熔点通常大于1800℃高密度大部分>7g/cm³高耐腐蚀性优异的化学稳定性优良机械性能高温强度好钛（Ti）的性质与应用4.51g/cm³密度钢的60%1668°C熔点耐高温40%航空结构件飞机用量占比15年+人体植入物平均使用寿命锆（Zr）和铪（Hf）锆（Zr）中子吸收截面小核燃料包壳材料熔点1855℃铪（Hf）中子吸收截面大核反应堆控制棒熔点2233℃化学性质极为相似自然界总是共存钒（V）、铌（Nb）和钽（Ta）元素熔点(℃)密度(g/cm³)主要应用钒(V)19106.0钢铁添加剂铌(Nb)24778.57超导材料钽(Ta)301716.69电容器钼（Mo）和钨（W）高温应用钨熔点3422℃灯丝材料航天发动机部件电子工业应用集成电路互连线高温加热元件特种电极材料稀有分散金属概述高科技应用半导体、光电材料工业重要性催化剂、特种合金资源稀缺性无独立矿床，伴生提取镓（Ga）的性质与应用低熔点金属熔点29.76℃，手掌可熔化半导体工业砷化镓，高速电子器件太阳能电池铜铟镓硒(CIGS)薄膜铟（In）的特性及用途液晶显示器ITO透明导电膜半导体材料InP、InAs等化合物焊接合金低熔点焊料铊（Tl）的性质剧毒物质致命剂量少至15mg放射性探测闪烁体材料低温超导体合金成分锗（Ge）和硒（Se）锗（Ge）第一代半导体材料红外光学器件光纤通信掺杂元素硒（Se）光导电性复印机感光鼓太阳能电池材料稀土元素概述定义与分类镧系17种元素及钪、钇地壳分布并非极度稀少，但分散化学相似性4f电子层填充工业价值"工业维生素"轻稀土元素元素符号原子序数主要应用镧La57催化剂铈Ce58抛光粉钕Nd60永磁材料钐Sm62磁性材料重稀土元素铕(Eu)红色荧光粉防伪材料钆(Gd)磁共振造影剂中子吸收剂铽(Tb)绿色荧光粉磁致伸缩材料镝(Dy)高性能永磁添加剂特种玻璃钇（Y）和钪（Sc）钇（Y）化学性质类似重稀土YAG激光晶体高温超导体钪（Sc）最轻的稀土元素铝钪合金特种照明稀土元素的分离技术物理分选矿石初步富集溶剂萃取法工业化分离主流离子交换法高纯稀土分离稀土永磁材料钕铁硼磁体世界最强磁体钐钴磁体高温性能佳应用领域电动机、扬声器生产工艺粉末冶金法4稀土发光材料铕：红色发光材料铽：绿色发光材料铈：紫外激发剂稀土催化剂石油化工应用催化裂化汽车尾气净化三元催化剂3工业合成选择性催化稀有放射性金属概述天然放射性元素铀(U)钍(Th)钋(Po)人工放射性元素钚(Pu)镎(Np)锕系其他元素铀（U）和钍（Th）核能应用核燃料U-235，转化Th-232放射性危害半衰期长，需严格管控环境影响污染难治理，持续时间长稀有金属的地球化学成矿理论岩浆分异作用地质分布规律壳幔交界富集元素地球化学循环表生迁移规律稀有金属矿产资源中国越南巴西俄罗斯印度澳大利亚其他稀有金属的提取冶金火法冶金高温熔炼氯化挥发法真空热还原湿法冶金酸浸碱浸生物浸出稀有金属的精炼技术预处理物理富集、化学纯化粗提纯去除主要杂质高纯化区域熔炼、电子束熔炼质量控制痕量分析、杂质监测稀有金属的分析方法原子吸收光谱ppm级检测电感耦合等离子体质谱ppb-ppt级检测X射线荧光分析快速无损检测稀有金属材料科学金属间化合物有序结构高硬度、高熔点脆性大非晶态合金无长程有序结构软磁性能好耐腐蚀稀有金属在航空航天中的应用高温合金发动机涡轮叶片轻质高强材料飞机结构件热防护系统航天器防热材料稀有金属在核工业中的应用核反应堆材料锆合金燃料包壳核燃料铀、钚、钍中子吸收剂铪、钆控制棒稀有金属在电子工业中的应用60+集成电路材料种类丰富0.1μm超细线路高纯钽粉30%市场增长率稀有金属电子应用稀有金属在新能源领域的应用太阳能电池铟、镓、硒薄膜锂电池锂、钴、镍、锰燃料电池铂族催化剂稀有金属与环境科学环境监测重金属污染检测水质分析污染治理吸附材料催化降解生态毒理积累效应食物链富集稀有金属回收与循环利用废弃电子产品手机、电脑回收分选拆解物理机械分离化学提取湿法冶金工艺再生利用进入生产循环4稀有金属的生物效应必需微量元素锌、铬、钴生理功能不可替代缺乏引起疾病毒理学研究铅、镉、汞生物累积效应神经毒性稀有金属的纳米材料纳米尺度特殊性质催化活性显著提高稀有金属的表面处理技术表面清洁除油、除氧化层电镀工艺镀铬、镀金、镀钌物理气相沉积高性能薄膜稀有金属的焊接技术1特种焊接方法电子束焊接、激光焊接2保护气氛惰性气体防氧化焊接材料纯度要求高稀有金属的无损检测X射线检测内部缺陷可视化超声波检测精细裂纹识别涡流检测表面缺陷快速筛查稀有金属的腐蚀与防护腐蚀机理电化学腐蚀应力腐蚀开裂氢脆现象防腐技术阳极保护表面涂层阴极保护稀有金属的热处理1固溶处理高温均匀化淬火快速冷却时效处理析出强化稀有金属的塑性加工挤压制造复杂截面型材锻造改善内部组织轧制生产板材、箔材稀有金属的粉末冶金1制粉技术气体雾化、机械研磨2成形压制、注射成型3烧结工艺真空烧结、热等静压稀有金属的增材制造3D打印技术选择性激光熔化2材料开发特种金属粉末工艺优化降低缺陷率复杂结构设计拓扑优化稀有金属的计算材料学第一性原理计算预测材料性能无需实验参数分子动力学模拟原子尺度行为热力学性质材料基因组计划高通量筛选加速材料开发稀有金属的产业链下游应用产业终端产品制造2中游冶炼加工金属提纯与合金制备上游资源开发矿山勘探开采稀有金属的市场分析钕价格锂价格稀有金属的国际贸易65%中国出口占比稀土全球供应80%日本进口依赖高端电子制造45%美国进口比例战略金属需求稀有金属的战略意义国防工业军事装备必需材料战略储备确保供应安全地缘政治影响资源控制带来话语权稀有金属的可持续发展资源节约高效低耗开采循环经济废物再生利用绿色冶金低碳环保工艺清洁生产污染物排放控制稀有金属的未来展望新材料开发