稀土的应用

从1794年发现元素钇，到1945年在铀的裂变物质中获得钷，前后经过151年的时间，人们才将元素周期表中第三副族的钪钇镧铈镨钕钷钐铕钆铽镝钬铒铥镱镥17个性质相近的元素全部找到，把它们列为一个家族，取名稀土元素，其中从镧到镥15个元素又称为镧系元素。其实，这些元素并不那么稀少。例如，铈在地壳中的含量与锡近乎相等，而钇钕镧都比铅更丰富。其余的稀土元素，除钷外都不少于银，而比金丰富得多。我国是全世界稀土资源最丰富的国家，储量占全世界储量的4/5以上。此处仅简单介绍稀土元素的若干应用，从中可看出稀土元素应用的广泛性和重要性。钢的脱硫在钢中添加混合稀土金属的目的之一是控制硫夹杂物的含量和形状。炼钢时通常要添加锰，锰与硫结合形成硫化物夹杂物，这种夹杂物在轧钢时会变形。而添加混合稀土金属则能产生稀土的硫化物、硫氧化物，它们在轧钢时形状保持不变，这可使钢的性能得到改善。稀土球墨铸铁混合稀土金属以稀土硅铁合金或硅镁钛合金的形式加入铁水中促进石墨的球化，从而提高铸铁的可锻强度。产品称球墨铸铁。打火石混合稀土金属还用于制造打火石，这是用75%的混合稀土金属和25%的铁制成的一种合金。用于有色金属合金中稀土金属有色金属合金中也获得广泛应用。例如有一种稀土镁合金（含有Mg,Zn,Zr,La,Ce）可用于制造喷气式发动机的传动装置，直升飞机的变速箱，飞机的着陆轮和座舱罩。在镁合金中添加稀土金属的优点是可提高其高温抗蠕变性，改善铸造性能和室温可焊性。有一种铝锆钇合金用作电线，其特点是输出功率高、耐热、耐振动和耐腐蚀。永磁材料有一种永磁材料——钕铁永磁合金，其磁能积达300千焦/立方米，比钐钴永磁合金（它在70年代取代昂贵的铂钴永磁体市场产生过重大影响）几乎高出一倍。然而钕铁永磁合金也有缺点，它在居里温度达3250℃左右，（钐钴永磁合金的是760℃左右），并且铁容易腐蚀。研究发现，把硼添加到钕铁永磁合金中可提高其磁能积和抗退磁的能力。这些性能优良的永磁材料用于飞机及宇宙航行器的仪表，精密仪器，微型电机等。石油裂化催化剂等稀土分子筛裂化催化剂是用于石油裂化工艺中性能优良（催化活性大，产品收率高）的催化剂。这种催化剂多数用混合稀土氯化物与相应的钠型分子筛发生阳离子交换反应制成。稀土金属元素的化合物作为催化剂还用于很多其他催化反应中。如将已除去铈的混合稀土金属元素的环烷酸盐溶于汽油中可用作合成戊橡胶工艺中的催化剂，这是我国首创的，又如为净化汽车废气而设计的汽车催化器中，能将一氧化碳和未燃烧尽的碳氢化合物减少到极低的水平，其中所用的催化剂LACOO3，有效地地催化CO、烃类的燃烧，其活性、寿命与铂基催化剂无甚差别，而价格则便宜得多。镧玻璃一种具有优良光学性质的镧玻璃，含氧化镧La2O360%，氧化硼B2O340%，具有高的折射率，低的色散和良好的化学稳定性。这种光学玻璃是制造高级照相机的镜头和潜望镜的镜头的不可缺少的光学材料。玻璃脱色采用稀土使玻璃脱色的原理涉及到铁的氧化态。玻璃中的二价铁杂质使玻璃显蓝色，它氧化成三价铁后则使玻璃显极浅黄色，颜色淡得多。二氧化铈是很好的玻璃脱色剂，因为铈（Ⅳ）具有强氧化性，能将二价铁氧化成三价铁，而它本身则还原成稳定的铈（Ⅲ），CeO2Ce2O3都无色。荧光粉在彩电的显像管中采用的性能优良的红基色荧光粉，以钇的化合物Y2O2S或Y2O3作基质，以铕Eu3作激活剂。这种产生出红色基色的荧光粉的使用效果，远远比过去（1964年以前）使用的非稀土硫化物红色荧光粉为好。各种稀土荧光粉的用途颇广，如用于黑白电视显像管、X射线增感屏、雷达显像管、荧光灯、高压水银灯等。激光器稀土在激光器中也应用较多。目前使用最广的激光工作物质是掺钕钇铝石榴石Y3Al5O12:Nd3和掺钕玻璃。前苏联曾研制出一种新型激光器——掺Cr3,Nd3的钆钪镓石榴石，其效率比钕激光器高3.5倍。储氢在合适的温度和压力下，五镍镧LaNi5合金能吸收氢分子：LaNi53H2=LaNi5H6冷却该合金时氢就被吸收，加热时就解吸，这提供了一种安全的储氢方法。在室温及2.5大气压下，1公斤的LaNi5合金能吸收14克氢，而稍加热即可把储藏的氢完全放出。LaNi5和LaNi5H6的密度分别约为6.4和6.43克/厘米。由此可算得每立方米LaNi5约可吸收储存氢90克之多，而1米3液氢却不过重71克，可见LaNi5的储氢效率之高（而且还有比液氢安全的优点）。已发现的类似的储氢材料还有CeNi5,LaMg17,La2Ni5Mg13等。这样的储氢材料在利用氢作燃料方面有潜在的应用前景。