文6：稀土元素应用之钕、钐、铕、钆

2014-02-27 金力永磁钕铁硼

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4、钕及其应用

钕是当今稀土元素家族中最为显赫的成员。20年前，永磁之王—钕铁硼永磁材料的诞生，使钕一下子身价百倍。氧化钕和金属钕已成为左右稀土市场、刺激稀土产业迅猛发展的强大拉力，至今势头不衰。 “钕” （Neodymium）在自然界中存量丰富，其地壳中丰度仅次于铈，居稀土元素中第二位。但由于他难以同镨分离，直到有了离子交换和溶剂萃取提纯技术，才使人们对他的本征性质及用途得以深入研究了解，并实现产业化。

在钕铁硼永磁体问世之前，钕的应用远不如铈，主要以混合轻稀土金属的形式用作钢铁和有色金属添加剂、石油炼制和化工催化剂等。但到1983年，由于钕铁硼永磁体的问世，使钕的身价倍增，一跃成为稀土家族中最显赫的成员。钕铁硼的诞生引起国际磁学界的轰动，称这一发现是磁学领域一大突破，被列为当年世界十项重大科技成果之一。由此，永磁材料也成为钕的最大用户。

钕铁硼永磁材料是目前世界上磁性最强的永磁材料，其磁能积比广泛应用的铁氧体高十倍，比第一代、第二代稀土磁体（钐钴永磁）高约一倍，被誉为“永磁之王”。

钕还被广泛用于激光材料，既可用作激光晶体，也可用作大功率激光玻璃。1964年发现的掺钕钇铝石榴石晶体YAG：Nd（Y3Al5O12：Nd3+），已成为目前最常用的固体激光材料，可用于金属材料切割、打孔、焊接和激光手术刀等方面。用掺钕硼酸钆铝晶体（NGAB）制造的蓝色激光器属于全固态激光器，可产生440nm蓝色激，具有结构简单、体积小、牢固耐用、价格适宜等特点，在高密度数据存储、彩色印刷、水底通讯等诸多方面有广泛的应用前景。我国科学家研制的高功率钕玻璃激光实验装置“神光1号”、“神光2号”已达国际先进水平，被成功用于激光核聚变等实验。

钕还是玻璃和陶瓷材料的优良着色剂。用其着色的工艺美术玻璃和陶瓷，可呈淡粉、玫瑰红、淡紫和蓝紫等多种色调，色彩晶莹亮丽，名贵高雅。尤其是具有神奇的双色效应，在不同光源的光照下，会呈现出从玫瑰紫红到淡蓝紫色的不同变化。钕还能用于功能陶瓷，如锶铋钕钛氧化物可用作微波陶瓷。

钕对许多有色金属材料有良好的净化、变质和合金化作。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。把钕铝合金（钕含量5~-10％）用于液晶显示屏，可使成象平面不发黄。钕化合物还被用于光纤材料，如掺辛酸钕的聚合物光纤，可克服掺稀土聚合物光纤中稀土离子相容性差的问题，光学性能稳定，光通讯窗口在650nm，在全光通信、医学、传感器和光谱学领域将有十分重要的应用。

5、钐及其应用

1879年,法国化学家波依斯包德朗(P.é. Lecoq de Boisbaudran)从铌钇矿得到的“镨钕”即“迪迪姆”（Didymium）中发现了新的稀土元素“钐”。钐属于轻稀土（铈组稀土），在自然界中的丰度为7.9，名列第七，其丰度比锡（Sn 2.2）要高，比起钨(W 1.0)和钼(Mo 1.5)更是高的多，在全部元素地壳中的丰度排行榜中位列40，也算是比较丰富的元素。

 第一代稀土永磁材料钐钴磁体的诞生，曾经使钐在上个世纪70年代成为稀土家族中“红级一时”的成员。先是SmCo5于1967年问世。20世纪70年代末又出现第二代稀土永磁材料Sm2Co17，其最大磁能积达到30兆高奥（240千焦耳/米3）。

20世纪80年代，出现了磁性更强的第三代稀土永磁材料钕铁硼。钐钴磁体在高热使用稳定性和抗腐蚀等性能方面一直优于钕铁硼磁体，目前仍然是某些工业特别是军事和航空等领域的首选材料，这方面的潜在市场依然比较大。

钐在永磁材料中的另一大用途是制备新型粘结磁体。20世纪90年代初期研制开发的新型磁性材料钐铁氮磁体已经产业化。钐铁氮磁体中的稀土含量比钕铁硼磁体低，而氧化钐的价格低于氧化钕，因此成本可能比钕铁硼磁体低，而钐铁氮磁体的某些性能(耐热性和耐蚀性)优于钕铁硼磁体。钐还可用做钐基巨磁致伸缩材料。

由于铕的需求扩大，造成了钐和钆的积压，但提取铕之后的钐钆富集物可用来制备钐钆复合物高性能隔热陶瓷材料，可用于航空、汽车等领域。

纳米氧化钐可应用于陶瓷电容器和催化剂方面。甲烷通过氧化钐催化可转变成乙烷和乙烯。二碘化钐可选择性地将乙醛还原成乙醇。钐催化剂在甲烷转化时具有很高的活性、稳定性和选择性。

钐具有中子俘获截面积大（5500靶）的特殊核性质，可用作原子能反应堆的结构材料，屏敝材料和控制材料，如用作快中子增强反应堆的中子吸收剂，使核裂变产生巨大的能量得以安全利用。钐还可用作石榴石的掺杂剂，也可用于特种的玻璃滤光器中，例如红外线滤光器。钐还被用于生物研究和医疗。

6、铕及其应用

铕在稀土家族中“出世”较晚。 1901 年法国人德马克（ Eugene A.Demarcay ）从“钐”中发现了新元素“铕”。 其名称 Europium 源于 Europe （欧洲）一词。 铕在地壳中的 丰度为 2.1 （克 / 吨），排第 11 位，在稀土中也是属于“ 物以稀为贵”的 一员。可能正是因为这个原因，使它在问世后的很长一段时间里因派不上用场而默默无闻。直到人类发明了彩色电视，由于它和氧化钇一起，可以用做彩电红色荧光粉，才使其一下名声大振，进而又用做计算机和各种显示器以及节能电光源荧光粉，使她一下成为电子信息材料中的“新宠”。  

千变万化、五光十色的稀土发光材料是铕最具魅力的应用舞台。我国是世界上铕资源最丰富的国家，现已成为生产稀土彩电红粉、阴极射线彩管、彩色电视机和计算机显示屏产量最大的国家。

等离子体显示（ PDP ）用荧光粉主要在紫外区域发光，所用的红粉为铕激活的硼酸盐，其蓝粉为二价铕激活的碱土金属多铝酸盐（ BaMgAl 10 O 17 ∶ Eu 2+ ）。掺铕正硼酸盐纳米晶真空紫外荧光粉是一种新型紫外荧光纳米材料，作为红色发光材料主要应用于等离子平板显示器。

由于日益严格的环保要求，目前高压汞灯已逐渐被稀土三基色荧光灯和稀土金属卤化物灯所取代。但这后来居上的两种灯用发光材料也同样离不开铕。

近年来，半导体发光二极管（ LED ）作为一种新型照明光源悄然兴起，其电能转化为光能的效率，相当于白炽灯的 5 到 10 倍，节能效果比稀土三基色荧光灯更胜一筹。用铕做激活剂的稀土长余辉粉（也称蓄光材料）近年来发展也很快。其最佳替代品就是稀土“ 夜光粉 ”，并具有良好的化学稳定性和耐候性，可制成发光涂料、油墨、塑料、陶瓷、搪瓷和发光美术工艺品等，广泛应用于建筑装饰、街道标牌、仪器仪表、消防安全、地铁隧道、印刷印染、广告等众多领域，是极具发展前途和广阔市场前景的发光材料。

铕的荧光特性还被应用于农业、医疗和生物研究等方面。

某些铕类络合物在长波紫外线（３６５ 纳米）照射下，可以显示耀眼红色荧光，利用这一特性制造的防伪印油或防伪油墨，可用于各种证券、票据和商标的防伪。

氧化铕还可用于制造有色镜片、光学滤光片和磁泡贮存器件。由于铕具有中子俘获截面积大（ 5500 靶）的特殊核性质，可用作原子能反应堆的结构材料，屏敝材料和控制材料，如 用作快中子增强反应堆的中子吸收剂， 在和平利用原子能方面也能一展身手。

7、钆及其应用

钆 (Gd) 由瑞士化学家马利格纳克（ Jean de Marignac ）于 1880 年发现。为了纪念第一个稀土元素钇的伟大发现者——芬兰科学家加多林 (Gadolin) ，将其命名为钆。钆汉语名称的正确发音应该是 ga （同噶），但在我们稀土界，由于以讹传讹，人们总是习惯称其为 zha （渣或炸），就像把“浓硫酸焙烧”中的焙（ bei ，音同被）也常常读作“陪”（ pei ）一样，其实是念成了白字。

在镧系元素中钆按原子序数排在第 8 位，属于轻稀土或中稀土，其地壳丰度（ 7.7ppm ）在 17 个稀土元素中也排列第 8 ，含量不算低。目前由于用量有限，属于供过于求的稀土元素。钆在稀土生产过程中，经常以“钐铕钆”富集物状态被分离出来，然后再从中提取纯钆。由于氧化铕大量应用于发光材料，提铕后会产生大量钐钆副产品，目前正在开发的钐钆复合物隔热陶瓷材料可用作航空、汽车等领域的高性能隔热材料，会大大提高产品的附加值，将为钆的应用找到新的市场。

钆和其它稀土元素一样 ,属于活泼性金属 ,拥有相似的化学共性。作为混合稀土使用，可以同镧铈等轻稀土一起用作金属的净化变质剂，也可用做石油、化工和环保催化剂，还被用于农牧养殖和助染助鞣等方面。但钆也具有自己一些独特的个性，如特殊的磁性、光性和核性质，有许多特殊的用途。

金属钆可用作钐钴磁体的添加剂，能使磁体性能不随温度而变化。在 SmCo 5 合金中加入 Gd 所获得的快淬薄带取向度好，剩磁比与烧结磁体相当，磁感温度系数低于同成分的烧结磁体。

 氧化钆具有多种用途。它可用于高折射低色散光学玻璃。大家都知道，镧系光学玻璃具有高折射和低色散的优良特性，用于许多高级光学镜头。在其中加入氧化钆，有助于玻璃化区域的变化和提高玻璃的热稳定性。钆镉硼酸盐玻璃可用作吸收慢中子的防耐辐射玻璃。一种镧钆锌为主要成分的硼酸盐玻璃具有优异的高温成型性。

用氧化钆能制得多种红色荧光粉。如掺铕的钇钆硼酸盐 (Y ， Gd)BO 3 ∶ Eu 红色荧光粉可用于等离子体荧光显示屏。在用钇和铕制造的红色荧光粉中加入氧化钆，可保持同样优良的发光特性，发光效率高，颜色鲜艳，稳定性好，比单用钇铕荧光粉成本低，不但可用于荧光灯，而且可用于等离子体显示器件和阴极射线管中。钆也可用于长余辉荧光粉。用钆的钒磷酸盐还可制造发光薄膜。

钆在用于磁制冷方面将很有应用前景。磁制冷材料是具有磁热效应的物质。2001 年底又研制出永磁体室温磁制冷冰箱展示机，从而将室温磁制冷从实验室研究推进到实用化研究阶段。美国计划经过 3~5 年先把室温磁制冷技术用于汽车空调系统，再进一步推广应用于家庭空调和电冰箱。

磁光材料是激光、光电子学和光子学中所用多种磁光效应器件使用的磁性材料。钆还被用于激光材料，用掺钕硼酸钆铝 (NGAB) 晶体用掺钕硼酸钆铝晶体制造的激光二极管泵浦的自倍频蓝色激光器，可产生 440nm 蓝色激光，属于全固态激光器，具有结构简单、体积小、牢固耐用、价格适宜等特点，在高密度数据存储、彩色印刷、水底通讯等诸多方面有着广泛的应用。金属钆还被用于阴极发射材料，和镧钇一起用于难熔金属的钼次极发射材料，发射系数大、发射稳定性好、易于加工、抗暴露大气能力好，可应用于磁控管阴极材料领域。 

钆的水溶性顺磁络合物在医疗上可提高人体的核磁共振波谱仪（ NMR ）成像信号。含钆造影剂已被广泛用于普通核磁共振（ MRI ）增强检查和磁共振血管造影（ MRA ）。