重稀土
重稀土
【稀土元素】是鑭系元素系稀土類元素群的總稱，包含鈧Sc、釔Y及鑭系中的鑭La、鈰Ce、鐠Pr、釹Nd、钷Pm、釤Sm、銪Eu、釓Gd、鋱Tb、鏑Dy、鈥Ho、鉺Er、銩Tm、鐿Yb、镥Lu，共17個元素。稀土一詞是十八世紀沿用下來的名稱，因為當時用于提取這類元素的礦物比較稀少，而且獲得的氧化物難以熔化，也難以溶于水，也很難分離，其外觀酷似“土壤”，而稱之為稀土。稀土元素分為[輕稀土元素]和[重稀土元素]：
【輕稀土】輕稀土（又稱鈰組）：鑭、鈰、鐠、釹、钷、釤、銪、釓。
【重稀土元素】重稀土（又稱釔組）：原子序數(shù)比較大的釓Gd、鋱Tb、鏑Dy、鈥Ho、鉺Er、銩Tm、鐿Yb、镥Lu。
【釓（Gd）】1880年，瑞士的馬里格納克（G.de Marignac）將"釤"分離成兩個元素，其中一個由索里特證實是釤元素，另一個元素得到波依斯包德萊的研究確認，1886年，馬里格納克為了紀念釔元素的發(fā)現(xiàn)者 研究稀土的先驅荷蘭化學家加多林（Gado Linium），將這個新元素命名為釓。釓在現(xiàn)代技革新中將起重要作用。
它的主要用途有：
�。�1）其水溶性順磁絡合物在醫(yī)療上可提高人體的核磁共振（NMR）成像信號。
�。�2）其硫氧化物可用作特殊亮度的示波管和x射線熒光屏的基質柵網。
�。�3）在釓鎵石榴石中的釓對于磁泡記憶存儲器是理想的單基片。
�。�4）在無Camot循環(huán)限制時，可用作固態(tài)磁致冷介質。
�。�5）用作控制核電站的連鎖反應級別的抑制劑，以保證核反應的安全。
（6）用作釤鈷磁體的添加劑，以保證性能不隨溫度而變化。
另外，氧化釓與鑭一起使用，有助于玻璃化區(qū)域的變化和提高玻璃的熱穩(wěn)定性。氧化釓還可用于制造電容器、x射線增感屏。 在世界上目前正在努力開發(fā)釓及其合金在磁致冷方面的應用，現(xiàn)已取得突破性進展，室溫下采用超導磁體、金屬釓或其合金為致冷介質的磁冰箱已經問世。
【鋱（Tb）】1843年瑞典的莫桑德（Karl G.Mosander）通過對釔土的研究，發(fā)現(xiàn)鋱元素（Terbium）。鋱的應用大多涉及高技術領域，是技術密集、知識密集型的尖端項目，又是具有顯著經濟效益的項目，有著誘人的發(fā)展前景。
主要應用領域有：
（1）熒光粉用于三基色熒光粉中的綠粉的激活劑，如鋱激活的磷酸鹽基質、鋱激活的硅酸鹽基質、鋱激活的鈰鎂鋁酸鹽基質，在激發(fā)狀態(tài)下均發(fā)出綠色光。
（2）磁光貯存材料，近年來鋱系磁光材料已達到大量生產的規(guī)模，用Tb-Fe非晶態(tài)薄膜研制的磁光光盤，作計算機存儲元件，存儲能力提高10～15倍。
（3）磁光玻璃，含鋱的法拉第旋光玻璃是制造在激光技術中廣泛應用的旋轉器、隔離器和環(huán)形器的關鍵材料。特別是鋱鏑鐵磁致伸縮合金（TerFenol）的開發(fā)研制，更是開辟了鋱的新用途，Terfenol是70年代才發(fā)現(xiàn)的新型材料，該合金中有一半成份為鋱和鏑，有時加入鈥，其余為鐵，該合金由美國依阿華州阿姆斯實驗室首先研制，當Terfenol置于一個磁場中時，其尺寸的變化比一般磁性材料變化大這種變化可以使一些精密機械運動得以實現(xiàn)。鋱鏑鐵開始主要用于聲納，目前已廣泛應用于多種領域，從燃料噴射系統(tǒng)、液體閥門控制、微定位到機械致動器、機構和飛機太空望遠鏡的調節(jié) 機翼調節(jié)器等領域。
【鏑（Dy）】1886年，法國人波依斯包德萊成功地將鈥分離成兩個元素，一個仍稱為鈥，而另一個根據(jù)從鈥中"難以得到"的意思取名為鏑（dysprosium）。鏑目前在許多高技術領域起著越來越重要的作用.
主要應用領域有：
�。�1）作為釹鐵硼系永磁體的添加劑使用，在這種磁體中添加2~3%左右的鏑，可提高其矯頑力，過去鏑的需求量不大，但隨著釹鐵硼磁體需求的增加，它成為必要的添加元素，品位必須在95～99.9%左右，需求也在迅速增加。
（2）鏑用作熒光粉激活劑，三價鏑是一種有前途的單發(fā)光中心三基色發(fā)光材料的激活離子，它主要由兩個發(fā)射帶組成，一為黃光發(fā)射，另一為藍光發(fā)射，摻鏑的發(fā)光材料可作為三基色熒光粉。
�。�3）鏑是制備大磁致伸縮合金鋱鏑鐵（Terfenol）合金的必要的金屬原料，能使一些機械運動的精密活動得以實現(xiàn)。
�。�4）鏑金屬可用做磁光存貯材料，具有較高的記錄速度和讀數(shù)敏感度。
�。�5）用于鏑燈的制備，在鏑燈中采用的工作物質是碘化鏑，這種燈具有亮度大、顏色好、色溫高、體積小、電弧穩(wěn)定等優(yōu)點，已用于電影、印刷等照明光源。
（6）由于鏑元素具有中子俘獲截面積大的特性，在原子能工業(yè)中用來測定中子能譜或做中子吸收劑。
�。�7）Dy3Al5O12還可用作磁致冷用磁性工作物質。隨著科學技術的發(fā)展，鏑的應用領域將會不斷的拓展和延伸。
【鈥（Ho） 】十九世紀后半葉，由于光譜分析法的發(fā)現(xiàn)和元素周期表的發(fā)表，再加上稀土元素電化學分離工藝的進展，更加促進了新的稀土元素的發(fā)現(xiàn)。1879年，瑞典人克利夫發(fā)現(xiàn)了鈥元素并以瑞典首都斯德哥爾摩地名命名為鈥（holmium）。
鈥的應用領域目前還有待于進一步開發(fā)，用量不是很大，最近，包鋼稀土研究院采用高溫高真空蒸餾提純技術，研制出非稀土雜質含量很低的高純金屬鈥Ho/ΣRE>99.9%。
主要應用領域有：
(1)用作金屬鹵素燈添加劑，金屬鹵素燈是一種氣體放電燈，它是在高壓汞燈基礎上發(fā)展起來的，其特點是在燈泡里充有各種不同的稀土鹵化物。目前主要使用的是稀土碘化物，在氣體放電時發(fā)出不同的譜線光色。在鈥燈中采用的工作物質是碘化鈥，在電弧區(qū)可以獲得較高的金屬原子濃度，從而大大提高了輻射效能。
(2)鈥可以用作釔鐵或釔鋁石榴石的添加劑；
(3)摻鈥的釔鋁石榴石（Ho:YAG）可發(fā)射2μm激光，人體組織對2μm激光吸收率高，幾乎比Hd:YAG高3個數(shù)量級。所以用Ho:YAG激光器進行醫(yī)療手術時，不但可以提高手術效率和精度，而且可使熱損傷區(qū)域減至更小。鈥晶體產生的自由光束可消除脂肪而不會產生過大的熱量，從而減少對健康組織產生的熱損傷，據(jù)報道美國用鈥激光治療青光眼，可以減少患者手術的痛苦。我國2μm激光晶體的水平已達到國際水平，應大力開發(fā)生產這種激光晶體。
(4)在磁致伸縮合金Terfenol-D中，也可以加入少量的鈥，從而降低合金飽和磁化所需的外場。
(5)另外用摻鈥的光纖可以制作光纖激光器、光纖放大器、光纖傳感器等等光通訊器件在光纖通信迅猛的今天將發(fā)揮更重要的作用。
【鉺（Er）】1843年，瑞典的莫桑德發(fā)現(xiàn)了鉺元素（Erbium）。鉺的光學性質非常突出，一直是人們關注的問題。
主要應用領域有：
�。�1）Er3+在1550nm處的光發(fā)射具有特殊意義，因為該波長正好位于光纖通訊的光學纖維的最低損失，鉺離子（Er3+）受到波長980nm、1480nm的光激發(fā)后，從基態(tài)4I15/2躍遷至高能態(tài)4I13/2，當處于高能態(tài)的Er3+再躍遷回至基態(tài)時發(fā)射出1550nm波長的光，石英光纖可傳送各種不同波長的光，但不同的光光衰率不同，1550nm頻帶的光在石英光纖中傳輸時光衰減率最低（0.15分貝/公里），幾乎為下限極限衰減率。因此，光纖通信在1550nm處作信號光時，光損失最小。這樣，如果把適當濃度的鉺摻入合適的基質中，可依據(jù)激光原理作用，放大器能夠補償通訊系統(tǒng)中的損耗，因此在需要放大波長1550nm光信號的電訊網絡中，摻鉺
光纖放大器是必不可少的光學器件，目前摻鉺的二氧化硅纖維放大器已實現(xiàn)商業(yè)化。據(jù)報道，為避免無用的吸收，光纖中鉺的摻雜量幾十至幾百ppm。光纖通信的迅猛發(fā)展，將開辟鉺的應用新領域。
（2）另外摻鉺的激光晶體及其輸出的1730nm激光和1550nm激光對人的眼睛安全，大氣傳輸性能較好，對戰(zhàn)場的硝煙穿透能力較強，保密性好，不易被敵人探測，照射軍事目標的對比度較大，已制成軍事上用的對人眼安全的便攜式激光測距儀。
（3）Er3+加入到玻璃中可制成稀土玻璃激光材料，是目前輸出脈沖能量最大，輸出功率最高的固體激光材料。
�。�4）Er3+還可做稀土上轉換激光材料的激活離子。
�。�5）另外鉺也可應用于眼鏡片玻璃、結晶玻璃的脫色和著色等。
【銩（Tm）】銩元素是1879年瑞典的克利夫發(fā)現(xiàn)的，并以斯堪迪那維亞（Scandinavia）的舊名Thule命名為銩（Thulium）。
主要應用領域有：
（1）銩用作醫(yī)用輕便X光機射線源，銩在核反應堆內輻照后產生一種能發(fā)射X射線的同位素，可用來制造便攜式血液輻照儀上，這種輻射儀能使銩-169受到高中子束的作用轉變?yōu)殇A-170，放射出X射線照射血液并使白血細胞下降，而正是這些白細胞引起器官移植排異反應的，從而減少器官的早期排異反應。
�。�2）銩元素還可以應用于臨床診斷和治療腫瘤，因為它對腫瘤組織具有較高親合性，重稀土比輕稀土親合性更大，尤其以銩元素的親合力最大。
�。�3）銩在X射線增感屏用熒光粉中做激活劑LaOBr:Br（藍色），達到增強光學靈敏度，因而降低了X射線對人的照射和危害，與以前鎢酸鈣增感屏相比可降低X射線劑量50%，這在醫(yī)學應用具有重要現(xiàn)實的意義。
�。�4）銩還可在新型照明光源 金屬鹵素燈做添加劑。
�。�5）Tm3+加入到玻璃中可制成稀土玻璃激光材料，這是目前輸出脈沖量最大，輸出功率最高的固體激光材料。Tm3+也可做稀土上轉換激光材料的激活離子。
【鐿（Yb）】1878年，查爾斯（Jean Charles）和馬利格納克（G.de Marignac）在"鉺"中發(fā)現(xiàn)了新的稀土元素，這個元素由伊特必（Ytterby）命名為鐿（Ytterbium）。
主要應用領域有：
�。�1）作熱屏蔽涂層材料。鐿能明顯地改善電沉積鋅層的耐蝕性，而且含鐿鍍層比不含鐿鍍層晶粒細小，均勻致密。
�。�2）作磁致伸縮材料。這種材料具有超磁致伸縮性即在磁場中膨脹的特性。該合金主要由鐿/鐵氧體合金及鏑/鐵氧體合金構成，并加入一定比例的錳，以便產生超磁致伸縮性。
（3）用于測定壓力的鐿元件，試驗證明，鐿元件在標定的壓力范圍內靈敏度高，同時為鐿在壓力測定應用方面開辟了一個新途徑。
（4）磨牙空洞的樹脂基填料，以替換過去普遍使用銀汞合金。
�。�5）日本學者成功地完成了摻鐿釓鎵石榴石埋置線路波導激光器的制備工作，這一工作的完成對激光技術的進一步發(fā)展很有意義。另外，鐿還用于熒光粉激活劑、無線電陶瓷、電子計算機記憶元件（磁泡）添加劑、和玻璃纖維助熔劑以及光學玻璃添加劑等。
【镥（Lu）】1907年，韋爾斯巴赫和尤貝恩（G.Urbain）各自進行研究，用不同的分離方法從"鐿"中又發(fā)現(xiàn)了一個新元素，韋爾斯巴赫把這個元素取名為Cp(Cassiopeium)，尤貝恩根據(jù)巴黎的舊名lutece將其命名為Lu(Lutetium)。后來發(fā)現(xiàn)Cp和Lu是同一元素，便統(tǒng)一稱為镥。
主要應用領域有：
�。�1）制造某些特殊合金。例如镥鋁合金可用于中子活化分析。
（2）穩(wěn)定的镥核素在石油裂化、烷基化、氫化和聚合反應中起催化作用。
�。�3）釔鐵或釔鋁石榴石的添加元素，改善某些性能。
�。�4）磁泡貯存器的原料。
�。�5）一種復合功能晶體摻镥四硼酸鋁釔釹，屬于鹽溶液冷卻生長晶體的技術領域，實驗證明，摻镥NYAB晶體在光學均勻性和激光性能方面均優(yōu)于NYAB晶體。
�。�6）經國外有關部門研究發(fā)現(xiàn)，镥在電致變色顯示和低維分子半導體中具有潛在的用途。此外，镥還用于能源電池技術以及熒光粉的激活劑等。
〖儲備狀況〗
由于稀土元素性質活躍，使它成為親石元素，地殼中還沒有發(fā)現(xiàn)它的天然金屬無水或硫化物，最常見的是以復雜氧化物、含水或無水硅酸鹽、含水或無水磷酸鹽、磷硅酸鹽、氟碳酸鹽以及氟化物等形式存在。由于稀土元素的離子半徑、氧化態(tài)和所有其它元素都近似，因此在礦物中它們常與其它元素一起共生。我國稀土資源占世界稀土資源的80%，以氧化物(REO)計達3 600萬噸，遠景儲量實際是1億噸。
我國重稀土資源主要分布在江西、廣東、廣西、福建、湖南等南方地區(qū)，以罕見的離子態(tài)賦存與花崗巖風化殼層中，主要含釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥、釔和鑭、釹等元素。
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