稀土材料的应用及发展

张倩 张亚如

摘 要：本文以综述的形式介绍了稀土冶金材料，稀土发光材料，石油化工，玻璃陶瓷等方面的应用情况和发展前景。

关键词：稀土材料；发展；应用

稀土元素是元素周期表中镧系元素系稀土类元素群的总称[1～2]，包含钪（Sc）、钇（Y）及镧系中的镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）、钕（Nd）等共17个元素。由于17个元素位于元素周期表同一族——ⅢB，造成物化性质有一定相似性。特别是镧系的15个元素（La—Lu）均位于周期表的同一格內，它们的性质更为接近，分离成单一元素时十分困难。但是它们本身是17个不同的元素，尤其在电子结构，原子及离子半径等方面又有显著的不同，其特异性能来源于稀土元素具有特异的4f电子构型，大的原子磁矩，非常强的自旋轨道耦合等因素，稀土元素与其他元素形成稀土配合物时，配位数可在3～12之间变化，稀土化合物的晶体结构也是多元化的。在各种材料的制备加工过程中，添加稀土元素可以明显提高产品的性能和制备工艺，目前稀土永磁材料是已知的综合性能最好的一种永磁材料。另外，稀土材料在发光、贮氢、超导材料及军事和农业等领域也有着广泛的应用。

1 冶金工业

稀土永磁材料是目前综合性能最高的一种永磁材料，它比铁氧体和铝镍钴性能都要优越。在熔炼的钢中加入稀土元素，可以改善钢铁在加工过程中的性能，同时也可以去除一些有害杂质，因为他们的熔点低，在熔炼过程中易去除。还有一些铸铁被广泛的应用在汽车，柴油机等机械制造业中，这是由于这种铸铁在加工的过程中利用稀土硅铁合金等作为球化剂，使其具有被生产复杂器件的性能。为了提高合金不同温度下的性能，在加工铝、铜、锌等合金的过程中可以添加稀土元素。

2 發光材料

稀土的发光和激光性能是由于稀土的4f电子在不同能级之间的跃迁产生的。由于稀土例子具有丰富的能级和4f电子活跃的特性，这就为多个领域提供了高性能的发光材料。比如现阶段电视机和之前的老一代电视机相比，在画面亮度和色彩鲜艳度方面都有明显提高，[3]这是由于将稀土荧光粉加入到电视机显像管中就能提高这些性能。现在医学领域也将发光材料应用到医学放射图像中，使图像更加清晰，鲜明。目前应用广泛的节能灯也是由金属卤化物发光材料制成的。

3 石油化工

催化技术在化工产业中起到至关重要的作用。而稀土元素被广泛应用到制备催化剂的过程中，汽油、柴油等轻质油是在重油轻质化的二次加工的催化裂化过程中产生的，这就弥补了蒸馏方法得到轻质油比例低的缺点。在炼油过程中使用稀土分子筛裂化催化剂可使其成本降低20%，并使裂化装置生产能力提高30%～50%。

4 玻璃陶瓷

稀土元素作为着色剂生产出的有色玻璃具有颜色鲜明，着色稳定等特点。稀土元素也可作为玻璃的脱色剂使用，如为了去除玻璃中的绿色，就需要在熔制玻璃过程中加入二氧化铈，因为二氧化铈对铁有氧化作用。稀土元素在生产特种陶瓷时也起到十分重要的作用，为了改变Al2O3的产品性能，可以将少量的Y2O3外加剂加入到Al2O3陶瓷中，可以有效的降低陶瓷的烧结温度。[4]西安交通大学的邹秦等人制得了工艺性能良好陶瓷材料，其保持了电阻率低（ρ为10-2Ω/cm量级）、非线性高（非线性系数α>10）的介电-压敏复合功能特性。他们采用的工艺是略去了Nb5+、Ta5+等离子的涂覆过程，直接在（Sr，Ca）TiO3中掺杂了Y3+、La3+进行热扩散。

5 农业方面

稀土元素可以促进农作物种子的萌发。在研究过程中发现，为了提高水稻、小麦等农作物的发芽率和成活率，可以将其种子浸泡在一定浓度的稀土溶液中已达到目的。稀土元素可以改变农作物的品质，提高农作物产量。色氨酸作为生长素物质的前体，为了增加它的含量，将农作物的种子经过稀土元素进行处理，从而促进了植物茎叶的生长。稀土还能促进种子萌发，提高种子发芽率，促进幼苗生长。除了以上主要作用外，稀土元素还具有提高农作物抗病性能的作用。稀土元素可以促进农作物对土壤养分中钾元素的吸收，钾元素是保障农作物健壮生长的必要元素。为了有效的防止病菌对植株的伤害，就研究出一套植株互保的方法，这种方法就是利用稀土元素，提高了植株体内氧化酶的活性，增加了其内部酚类物质的含量。

6 军事方面

稀土有工业“黄金”之称，由于其具有优良的光电磁等物理特性，能与其他材料组成性能各异、品种繁多的新型材料，其最显著的功能就是大幅度提高其他产品的质量和性能。[5]比如镧元素可以用于战斗机的夜视装备，它不光可以增加驾驶员的可视距离，同时可以让驾驶员在黑暗的作战条件下看清前方的物体。稀土元素同样可以用来制作防辐射材料，被广泛的用于坦克，装甲车等军事装备中。稀土科技在军事上的应用，先进的战争手段，在一定程度上影响了一些国家的战略地位。

7 结语

我国虽是稀土储量大国，但与美国、日本等国家相比在材料的研究，开发及应用等方面还相差甚远。国家加大力度研究稀土，重视对稀土材料的技术创新，将稀土资源优势转化为经济优势。稀土材料的种类众多，用途范围之广，随着科研的不断进步，新的稀土材料必将不断涌现，稀土材料产业将有着更深远的发展前景。

参考文献：

[1]刘光华.稀土材料学[M].化学工业出版社，2007.

[2]徐光宪.稀土（第二册，下册）[M].北京：冶金工业出版社，1995.

[3]李建宇.稀土发光材料及其应用[M].北京：化学工业出版社，2003.

[4]郑子樵，李红英.稀土功能材[M].北京：化学工业出版社，2003.

[5]梁小蕊，江炎兰，等.稀土材料的应用及发展趋势[J].化学工程师，2011.

作者简介：张倩（1985-），廊坊师范学院讲师。