稀土材料的應用及發展

張倩 張亞如

摘 要：本文以綜述的形式介紹了稀土冶金材料，稀土發光材料，石油化工，玻璃陶瓷等方面的應用情況和發展前景。

關鍵詞：稀土材料；發展；應用

稀土元素是元素周期表中鑭系元素系稀土類元素群的總稱[1～2]，包含鈧（Sc）、釔（Y）及鑭系中的鑭（La）、鈰（Ce）、鐠（Pr）、釹（Nd）等共17個元素。由于17個元素位于元素周期表同一族——ⅢB，造成物化性質有一定相似性。特別是鑭系的15個元素（La—Lu）均位于周期表的同一格內，它們的性質更為接近，分離成單一元素時十分困難。但是它們本身是17個不同的元素，尤其在電子結構，原子及離子半徑等方面又有顯著的不同，其特異性能來源于稀土元素具有特異的4f電子構型，大的原子磁矩，非常強的自旋軌道耦合等因素，稀土元素與其他元素形成稀土配合物時，配位數可在3～12之間變化，稀土化合物的晶體結構也是多元化的。在各種材料的制備加工過程中，添加稀土元素可以明顯提高產品的性能和制備工藝，目前稀土永磁材料是已知的綜合性能最好的一種永磁材料。另外，稀土材料在發光、貯氫、超導材料及軍事和農業等領域也有著廣泛的應用。

1 冶金工業

稀土永磁材料是目前綜合性能最高的一種永磁材料，它比鐵氧體和鋁鎳鈷性能都要優越。在熔煉的鋼中加入稀土元素，可以改善鋼鐵在加工過程中的性能，同時也可以去除一些有害雜質，因為他們的熔點低，在熔煉過程中易去除。還有一些鑄鐵被廣泛的應用在汽車，柴油機等機械制造業中，這是由于這種鑄鐵在加工的過程中利用稀土硅鐵合金等作為球化劑，使其具有被生產復雜器件的性能。為了提高合金不同溫度下的性能，在加工鋁、銅、鋅等合金的過程中可以添加稀土元素。

2 發光材料

稀土的發光和激光性能是由于稀土的4f電子在不同能級之間的躍遷產生的。由于稀土例子具有豐富的能級和4f電子活躍的特性，這就為多個領域提供了高性能的發光材料。比如現階段電視機和之前的老一代電視機相比，在畫面亮度和色彩鮮艷度方面都有明顯提高，[3]這是由于將稀土熒光粉加入到電視機顯像管中就能提高這些性能。現在醫學領域也將發光材料應用到醫學放射圖像中，使圖像更加清晰，鮮明。目前應用廣泛的節能燈也是由金屬鹵化物發光材料制成的。

3 石油化工

催化技術在化工產業中起到至關重要的作用。而稀土元素被廣泛應用到制備催化劑的過程中，汽油、柴油等輕質油是在重油輕質化的二次加工的催化裂化過程中產生的，這就彌補了蒸餾方法得到輕質油比例低的缺點。在煉油過程中使用稀土分子篩裂化催化劑可使其成本降低20%，并使裂化裝置生產能力提高30%～50%。

4 玻璃陶瓷

稀土元素作為著色劑生產出的有色玻璃具有顏色鮮明，著色穩定等特點。稀土元素也可作為玻璃的脫色劑使用，如為了去除玻璃中的綠色，就需要在熔制玻璃過程中加入二氧化鈰，因為二氧化鈰對鐵有氧化作用。稀土元素在生產特種陶瓷時也起到十分重要的作用，為了改變Al2O3的產品性能，可以將少量的Y2O3外加劑加入到Al2O3陶瓷中，可以有效的降低陶瓷的燒結溫度。[4]西安交通大學的鄒秦等人制得了工藝性能良好陶瓷材料，其保持了電阻率低（ρ為10-2Ω/cm量級）、非線性高（非線性系數α>10）的介電-壓敏復合功能特性。他們采用的工藝是略去了Nb5+、Ta5+等離子的涂覆過程，直接在（Sr，Ca）TiO3中摻雜了Y3+、La3+進行熱擴散。

5 農業方面

稀土元素可以促進農作物種子的萌發。在研究過程中發現，為了提高水稻、小麥等農作物的發芽率和成活率，可以將其種子浸泡在一定濃度的稀土溶液中已達到目的。稀土元素可以改變農作物的品質，提高農作物產量。色氨酸作為生長素物質的前體，為了增加它的含量，將農作物的種子經過稀土元素進行處理，從而促進了植物莖葉的生長。稀土還能促進種子萌發，提高種子發芽率，促進幼苗生長。除了以上主要作用外，稀土元素還具有提高農作物抗病性能的作用。稀土元素可以促進農作物對土壤養分中鉀元素的吸收，鉀元素是保障農作物健壯生長的必要元素。為了有效的防止病菌對植株的傷害，就研究出一套植株互保的方法，這種方法就是利用稀土元素，提高了植株體內氧化酶的活性，增加了其內部酚類物質的含量。

6 軍事方面

稀土有工業“黃金”之稱，由于其具有優良的光電磁等物理特性，能與其他材料組成性能各異、品種繁多的新型材料，其最顯著的功能就是大幅度提高其他產品的質量和性能。[5]比如鑭元素可以用于戰斗機的夜視裝備，它不光可以增加駕駛員的可視距離，同時可以讓駕駛員在黑暗的作戰條件下看清前方的物體。稀土元素同樣可以用來制作防輻射材料，被廣泛的用于坦克，裝甲車等軍事裝備中。稀土科技在軍事上的應用，先進的戰爭手段，在一定程度上影響了一些國家的戰略地位。

7 結語

我國雖是稀土儲量大國，但與美國、日本等國家相比在材料的研究，開發及應用等方面還相差甚遠。國家加大力度研究稀土，重視對稀土材料的技術創新，將稀土資源優勢轉化為經濟優勢。稀土材料的種類眾多，用途范圍之廣，隨著科研的不斷進步，新的稀土材料必將不斷涌現，稀土材料產業將有著更深遠的發展前景。

參考文獻：

[1]劉光華.稀土材料學[M].化學工業出版社，2007.

[2]徐光憲.稀土（第二冊，下冊）[M].北京：冶金工業出版社，1995.

[3]李建宇.稀土發光材料及其應用[M].北京：化學工業出版社，2003.

[4]鄭子樵，李紅英.稀土功能材[M].北京：化學工業出版社，2003.

[5]梁小蕊，江炎蘭，等.稀土材料的應用及發展趨勢[J].化學工程師，2011.

作者簡介：張倩（1985-），廊坊師范學院講師。