稀土在工業里有哪些應用

　　稀土是化學周期表中鑭系元素和鈧、釔共十七種金屬元素的總稱，自然界中有250種稀土礦。稀土是從18世紀末開始陸續發現的，當時人們常把不溶于水的固體氧化物稱為土，例如，將氧化鋁稱為陶土，氧化鈣稱為堿土等。稀土一般是以氧化物狀態分離出來的，當時比較稀少，因而得名為稀土。

　　稀土也被稱為“工業黃金”和“工業維生素”，這表明它對工業的重要性。稀土的使用也經歷了從初級到高級的階段。19世紀，人們開始用稀土制造煤氣燈罩、火石等物品，但現在稀土被廣泛應用于電子、石化、冶金、機械、能源、農業、航空航天等領域。事實上，稀土離我們不遠，稀土元素被用于我們常見的熒光燈、液晶電視、手機和電腦。

　　稀土元素具有特殊的4f層電子結構，表現出許多光、電、磁的特性。通過納米化后，稀土元素又有許多新特性，如小尺寸效應、高比表面效應、量子效應、極強的光電磁聲性質、超導性、高化學活性等，綜合性能大大提高，再通過摻雜或作為原料與其它材料組成性能各異、品種繁多的新型電子功能材料，如半導體材料、光電子材料、磁性材料、電子功能陶瓷材料、電能源材料、電子通訊材料，是電子信息產業不可或缺的重要組成部分。

　　這些材料已應用于眾多電子元器件行業的產品中，且已形成一定的產業規模。因此，電子信息產業是稀土重要的中高端應用終端用戶。

　　在光電子材料中的應用

　　稀土在光電子產業有眾多的應用，其中涉及到光信息的產生、調制、傳輸、儲存、顯示及其他應用。光電子材料主要分為光電功能晶體材料、光纖材料和顯示材料。光電功能晶體的種類眾多，目前已形成一定產業規模的主要有激光與非線性晶體、閃爍晶體、光學晶體(含窗口、LED襯底晶體)等晶體材料。

　　稀土元素是光電子技術領域必不可少的新材料。不同的稀土離子，由于其4f殼層電子數目的變化，表現出不同的性質和具備不同的用途，如La3+(4f0)，Gd+(4f7)，Lu3+(4f14)和Y3+、Sc3+具有良好透光性，可作為晶體的基質;而Pr3+，Nd3+，Er3+，Ho3+，Tm³+，Yb3+用作激光材料的激活離子，Ce3+，Eu³+，Eu2+，Tb3+，Dy3+用于發光材料。同一個稀土離子也能在各種光學材料中發揮不同作用，如Yb3+既可以作為激光晶體的激活離子，又可作為紅外線和可見光學材料的敏化劑。

　　發光機理：稀土元素原子的電子構型中存在4f軌道，當4f電子從高能級以輻射方式躍遷至低能級時就發出不同波長的光。

　　在磁性材料中的應用

　　磁性材料中的永磁(也稱硬磁)、軟磁和旋磁等磁性材料是信息產業的重要功能材料。自從1966年以來，永磁材料中增加了一個新成員，它就是“稀土永磁體”。稀土永磁材料是將釤、釹混合稀土金屬與過渡金屬(如鈷、鐵等)組成的合金，用粉末冶金方法壓型燒結，經磁場充磁后制得的一種磁性材料。稀土永磁體優異的性能，不僅促進了永磁器件向小型化發展，提高了產品的性能，而且促使某些特殊器件的產生，它的出現為應用打開了一扇全新的大門，所以稀土永磁材料一出現，立即引起各國的極大重視，發展極為迅速。

　　1970年代中期，第一代稀土永磁體1-5型Sm-Co開始商業化生產。1970年代后期，第二代稀土永磁體高性能2-17型Sm-Co開發成功。

　　釹鐵硼永磁體是日本住友特殊金屬公司(2007年并入日立金屬公司)和美國通用汽車公司(后分離成Magnequench公司)于1983年最先研制成功的。它的磁能積比目前通常使用的鐵氧體高十倍，是當今世界上磁性最強的材料，有"磁王"之美譽。進入21世紀以來，由于中國稀土永磁產業的高速發展，使得稀土永磁產業的國際格局發生了重大變化。釹鐵硼物美價廉，應用越來越廣泛，但釤鈷永磁體(2-17型Sm-Co為主)獨特的優勢(例如工作溫度高，溫度系數小，抗腐蝕強等)，仍然在軍工、航空航天等方面占有牢固的地位。

　　在電子功能陶瓷材料中的應用

　　在電子陶瓷材料中，稀土的電磁功能起了很大作用。目前人們開發成功的稀土陶瓷包括：

　?、匐娮犹沾桑褐饕▔弘娞沾?用于力、聲、位置速度傳感器，紅外傳感器，電光敏感元件，各種壓電振子和換能器);微波介質陶瓷(用于微波通訊和衛星通訊電容器)等。

　　②半導體陶瓷：半導體陶瓷具有獨特的電學性能，同時還具有優良的機械性能、熱性能和良好的化學穩定性。Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho或Er等稀土元素均可使BaTiO3陶瓷半導體化。

　　③智能化陶瓷：既能傳感磁性、溫度和氣體，又像介電元件那樣具有執行功能;在已發展的傳感器和驅動器中，陶瓷材料占有很大一部份：如壓電、電聲、光電、熱電、磁熱、電致冷或磁致伸縮、相變、生物、熱電陶瓷等。

　?、荑F電陶瓷和反鐵電陶瓷：電致應變小，介電損耗低，適合制作高壓、高儲能密度、長工作壽命的儲能電容器。此外，還有超導陶瓷、光學陶瓷、納米陶瓷等。

　　鋯鈦酸鉛PbTiO3壓電陶瓷簡稱PZT陶瓷，是壓電陶瓷材料中用得最多最廣的一種。通過添加Nb、La、Sb、Cr、Mn等元素來改性，可以制成許多不同用途的PZT型壓電陶瓷。

　　在電能源材料中的應用

　　稀土功能材料和稀土摻雜在電化學儲能領域有著廣泛的應用，通過稀土離子摻雜、稀土離子包覆電極材料，穩定了電極材料結構、改善電極材料電子電導率、離子擴散，能夠有效提升電極材料的電化學性能。稀土離子的電負性和離子尺寸是調節鋰離子電池和超級電容器電極材料性能的關鍵因素。

　　在信息通訊領域中的應用

　　大規模集成電路在信息通訊領域具有廣泛的應用。隨著電子技術向高性能、多功能、大容量、微型化方向發展，半導體芯片集成度越來越高，晶體管尺寸越來越小，傳統的SiO2柵介質薄膜就會存在漏電甚至絕緣失效的問題，目前采用鉿、鋯及稀土改性的稀有金屬氧化物薄膜解決核心漏電問題。如果進一步降低線寬，則需采用更高介電常數的稀土柵介質材料。

　　參考資料：

　　1、稀土在電子功能材料領域的應用;楊麗，張文燦，郭詠等著。

　　2、稀土元素在光電子技術領域中的應用，洪廣信著。

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