详尽解析17种稀土元素的应用！

　　稀土就是化学元素周期表中镧系元素—镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)，以及与镧系的15个元素密切相关的两个元素——钪(Sc)和钇(Y)，共17种元素，称为稀土元素。

　　稀土元素是17种特殊的元素的统称，它的得名是因为科学家在提取稀土元素时应用了稀土化合物，所以得名稀土元素。

　　这些稀土元素的发现，从1794年芬兰人加多林分离出钇到1947年美国人马林斯基等制得钷，历时150多年。其中大部分稀土元素是欧洲的一些矿物学家、化学家、冶金学家等发现制取的。钷是美国人马林斯基、格兰德宁和科列尔用离子交换分离，在铀裂变产物的稀土元素中获得的，过去认为自然界中不存在钷，直到1965年，芬兰一家磷酸盐工厂在处理磷灰石时发现了痕量的钷。

　　通常把镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕称为轻稀土元素，钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钇称为重稀土元素。也有的根据稀土元素物理化学性质的相似性和差异性，除钪之外(有的将钪划归稀散元素)划分成三组，即轻稀土组为镧、铈、镨、钕、钷，其中钷是人造放射性元素;中稀土组为钐、铕、钆、铽、镝;重稀土组为钬、铒、铥、镱、镥、钇。

　　稀土元素都是很活泼的金属，性质极为相似，常见化合价为+3价，其水合离子大多有颜色，易形成稳定的配位化合物。溶剂萃取和离子交换是目前分离稀土的较好方法。镧、铈、镨、钕等轻稀土金属，由于熔点较低，电解时呈熔融状态在阴极上析出，故一般均采用电解法制取。可用氯化物和氟化物两种盐系，前者以稀土氯化物为原料加入电解槽，后者则以氧化物的形式加入。

稀土元素的种类和应用

　　01

　　轻稀土组元素

　　镧(La)

　　镧的应用非常广泛，如应用于压电材料、电热材料、热电材料、磁阻材料、发光材料(兰粉)、贮氢材料、光学玻璃、激光材料、各种合金材料等。镧也应用到制备许多有机化工产品的催化剂中，光转换农用薄膜也用到镧，在国外，科学家把镧对作物的作用赋与“超级钙”的美称。

　　铈(Ce)

　　(1)目前正将铈应用到汽车尾气净化催化剂中，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三分之一。

　　(2)Ce:LiSAF激光系统是美国研制出来的固体激光器，通过监测色氨酸浓度可用于探查生物武器，还可用于医学上。

　　镨(Pr)

　　镨是用量较大的稀土元素，大量用于玻璃、陶瓷和磁性材料中。

　　(1)镨被广泛应用于建筑陶瓷和日用陶瓷中，其与陶瓷釉混合制成色釉，也可单独作釉下颜料，制成的颜料呈淡黄色，色调纯正、淡雅。

　　(2)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，其抗氧性能和机械性能明显提高，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;

　　(3)用于石油催化裂化。以镨钕富集物的形式加入Y型沸石分子筛中制备石油裂化催化剂，可提高催化剂的活性、选择性和稳定性。我国70年代开始投入工业使用，用量不断增大;

　　(4)镨还可用于磨料抛光。另外，镨在光纤领域的用途也越来越广。

　　钕(Nd)

　　钕元素凭借其在稀土领域中的独特地位，多年来成为市场关注的热点。

　　(1)金属钕的最大用户是钕铁硼永磁材料，钕铁硼永磁体的问世，为稀土高科技领域注入了新的生机与活力。钕铁硼磁体磁能积高，被称作当代“永磁之王”，以其优异的性能广泛用于电子、机械等行业。阿尔法磁谱仪的研制成功，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。

　　(2)钕还应用于有色金属材料。在镁或铝合金中添加1.5%～2.5%钕，可提高合金的高温性能、气密性和耐腐蚀性，广泛用作航空航天材料。另外，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10mm以下薄型材料的焊接和切削。

　　钷(Pm)

　　钷为核反应堆生产的人造放射性元素，钷的主要用途有：

　　(1)可作热源，为真空探测和人造卫星提供辅助能量。

　　(2)Pm147放出能量低的β射线，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，能连续使用数年之久。此外，钷还用于便携式X-射线仪、制备荧光粉、度量厚度以及航标灯中。

　　02

　　中稀土组元素

　　钐(Sm)

　　钐呈浅黄色，是做钐钴系永磁体的原料，钐钴磁体是最早得到工业应用的稀土磁体。这种永磁体有SmCo5系和Sm2Co17系两类。

　　钐钴磁体所用的氧化钐的纯度不需太高，从成本方面考虑，主要使用95%左右的产品。此外，氧化钐还用于陶瓷电容器和催化剂方面。另外，钐还具有核性质，可用作原子能反应堆的结构材料，屏敝材料和控制材料，使核裂变产生巨大的能量得以安全利用。

　　铕(Eu)

　　氧化铕大部分用于荧光粉。Eu3+用于红色荧光粉的激活剂，Eu2+用于蓝色荧光粉。现在Y2OS:Eu3+是发光效率、涂敷稳定性、回收成本等最好的荧光粉，再加上对提高发光效率和对比度等技术的改进，故正在被广泛应用。

　　钆(Gd)

　　钆的主要用途有：

　　(1)其水溶性顺磁络合物在医疗上可提高人体的核磁共振(NMR)成像信号。

　　(2)其硫氧化物可用作特殊亮度的示波管和x射线荧光屏的基质栅网。

　　(3)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。

　　铽(Tb)

　　铽的应用大多涉及高技术领域，是技术密集、知识密集型的尖端项目，其主要应用领域有：

　　(1)荧光粉用于三基色荧光粉中的绿粉的激活剂，如铽激活的磷酸盐基质、硅酸盐基质、铈镁铝酸盐基质，在激发状态下均发出绿色光。

　　(2)磁光贮存材料，近年来铽系磁光材料已达到大量生产的规模，用Tb-Fe非晶态薄膜研制的磁光光盘，作计算机存储元件，存储能力提高10～15倍。

　　(3)磁光玻璃，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。

　　镝(Dy)

　　镝最主要的用途是：

　　(1)作为钕铁硼系永磁体的添加剂使用，在这种磁体中添加2%~3%左右的镝，可提高其矫顽力。过去镝的需求量不大，但随着钕铁硼磁体需求的增加，它成为必要的添加元素。

　　(2)镝用作荧光粉激活剂，三价镝是一种有前途的单发光中心三基色发光材料的激活离子，它主要由两个发射带组成，一为黄光发射，另一为蓝光发射，掺镝的发光材料可作为三基色荧光粉。

　　(3)镝是制备大磁致伸缩合金铽镝铁(Terfenol)合金的必要的金属原料，能使一些机械运动的精密活动得以实现。

　　(4)镝金属可用做磁光存贮材料，具有较高的记录速度和读数敏感度。

　　03

　　重稀土组元素

　　钬(Ho)

　　目前钬的主要用途有：

　　(1)用作金属卤素灯添加剂。金属卤素灯是一种气体放电灯，它是在高压汞灯基础上发展起来的，其特点是在灯泡里充有各种不同的稀土卤化物。

　　(2)钬可以用作钇铁或钇铝石榴石的添加剂。

　　(3)掺钬的钇铝石榴石(Ho:YAG)可发射2μm激光，人体组织对2μm激光吸收率高，几乎比Hd:YAG高3个数量级。所以用Ho:YAG激光器进行医疗手术时，不但可以提高手术效率和精度，而且可使热损伤区域减至更小。

　　铒(Er)

　　铒的光学性质非常突出，一直是人们关注的焦点：

　　(1)Er3+在1550nm处的光发射具有特殊意义，因为该波长正好位于光纤通讯的光学纤维的最低损失，铒离子(Er3+)受到波长980nm、1480nm的光激发后，从基态4I15/2跃迁至高能态4I13/2，当处于高能态的Er3+再跃迁回至基态时发射出1550nm波长的光，石英光纤可传送各种不同波长的光，但不同的光光衰率不同，1550nm频带的光在石英光纤中传输时光衰减率最低(0.15dB/km)，几乎为下限极限衰减率。

　　(2)另外掺铒的激光晶体及其输出的1730nm激光和1550nm激光对人的眼睛安全，大气传输性能较好，对战场的硝烟穿透能力较强，保密性好，不易被敌人探测，照射军事目标的对比度较大，已制成军事上用的对人眼安全的便携式激光测距仪。

　　(3)Er3+加入到玻璃中可制成稀土玻璃激光材料，是目前输出脉冲能量最大、输出功率最高的固体激光材料。

　　铥(Tm)

　　铥的主要用途有以下几个方面：

　　(1)铥用作医用轻便X光机射线源，铥在核反应堆内辐照后产生一种能发射X射线的同位素，可用来制造便携式血液辐照仪。

　　(2)铥元素还可以应用于临床诊断和治疗肿瘤，因为它对肿瘤组织具有较高的亲合性，重稀土比轻稀土亲合性更大，尤其以铥元素的亲合力最大。

　　(3)铥在X射线增感屏用荧光粉中做激活剂LaO-Br:Br(蓝色)，达到增强光学灵敏度的目的，从而降低了X射线对人的照射和危害，与以前钨酸钙增感屏相比可降低X射线剂量50%，这在医学应用上具有重要意义。

　　镱(Yb)

　　镱的主要用途有：

　　(1)作热屏蔽涂层材料。

　　(2)作磁致伸缩材料，这种材料具有超磁致伸缩性即在磁场中膨胀的特性。

　　(3)用于测定压力的镱元件，试验证明，镱元件在标定的压力范围内灵敏度高，为镱在压力测定应用方面开辟了一个新途径。

　　镥(Lu)

　　镥的主要用途有：

　　(1)制造某些特殊合金，例如镥铝合金可用于中子活化分析。

　　(2)稳定的镥核素在石油裂化、烷基化、氢化和聚合反应中起催化作用。

　　(3)作钇铁或钇铝石榴石的添加元素，改善某些性能。

　　钇(Y)

　　钇是一种用途广泛的金属，主要用途有：

　　(1)钢铁及有色合金的添加剂。

　　(2)含钇6%和铝2%的氮化硅陶瓷材料，可用来研制发动机部件;

　　(3)用功率为400W的钕钇铝石榴石激光束可对大型构件进行钻孔、切削和焊接等机械加工。

　　04

　　稀散元素

　　钪(Sc)

　　(1)照明行业。比较有趣的是，钪的用途(作为主要工作物质，而不是用于掺杂的)都集中在很光明的方向，称他为光明之子也不为过。如钪钠灯、太阳能光电池、γ射线源等。

　　(2)单质形式的钪，已经被大量应用于铝合金的掺杂。

　　(3)单质的钪一般应用于合金，而钪的氧化物也是物以类聚地在陶瓷材料上面起到了重要的作用。像可以用作固体氧化物燃料电池电极材料，还可用作像高强度，耐高温的工程陶瓷材料氮化硅做增密剂和稳定剂。

　　(4)在高温反应堆核燃料中加入少量Sc2O3可避免因UO2向U3O8转化发生的晶格转变、体积增大和出现裂纹。

　　稀土元素已广泛应用于电子、石油化工、冶金、机械、能源、轻工、环境保护、农业等领域。我们国家拥有丰富的稀土矿产资源，成矿条件优越，堪称得天独厚，探明的储量居世界之首，为发展中国稀土工业提供了坚实的基础。目前较为紧迫的任务就是进一步提高稀土材料的加工合成技术，避免国外凭借领先我们的技术用我们的稀土材料赚我们的钱。

　　参考资料：

　　[1]秦威.浅谈稀土元素在陶瓷行业中的应用

　　[2]董世知.稀土氧化物在陶瓷涂层中的应用

　　[3]尹月.稀土氧化物在陶瓷材料中的应用硏究新进展

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