稀土在功能材料中的应用

稀土掺杂铁电体 铁电材料是典型的介电体， 由于在交变电场作用下存在电畴转向极化、电滞、 畴壁共振、电畴自然共振、极化弛豫等介电损耗 机构，因而在电磁波吸收材料领域有应用前景。 但在微波范围，其吸收频带窄，反射损耗不令人 满意。采用复合（与铁氧体或导电高分子）或掺 杂的方法可以提高其微波吸收特性。Liu等人发现 LaxBa1-xTiO3在x频段有良好的微波吸收特性，反 射损耗与A位La3+含量有关。
稀土激光材料:稀土元素有48种f-f跃迁和3种d-f 跃迁实现激光发射，使稀土元素成为激光技术中的 重要材料。目前约320种激光晶体中，有290种是稀 土激活离子，占90.6%。钇铝石榴石（YAG，）是 最有代表性的激光晶体，YAG：Nd3+是至今最有使 用价值的稀土激光晶体。激光晶体主要为含氧或含 氟化合物，稀土在其中作为激活离子的有Ce、Pr、 Nd、Eu、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb等11个3价离 子Sm、Dy、Tm3个2价离子。在硅酸盐、磷酸盐、 氟磷酸盐氟锂酸盐等激光玻璃中的稀土激活离子有 Nd、 Er、 Ho 、Tm等3价离子。稀土元素还用于液 体激光器。
稀土电致发光材料:目前正在研究的掺杂稀土的电 致发光薄膜材料将用于实现彩色电致发光平板显示， 稀土掺杂薄膜材料中绿色（ZnS：TbF3、CaS： （Ce，K），兰色ZnS：（TmF3，ErF3），红色 ZnS：SmF3等材料正在开发。稀土与聚合物或硫化 物组成的重量轻大屏幕全色电致发光薄膜显示器， 稀土半导体薄膜电致发光材料应用前景广泛。有机 电致发光是目前国际上的一个热点研究领域，稀土 配合物发光色纯度高，量子效率高，在有机电致发 光材料具有独特的意义。已有许多研究报导（但在 发光亮度和驱动寿命方面还存在问题），将稀土配 合物成功用于有机电致发光技术已为期不远。
稀土荧光材料:稀土荧光材料用做节能荧光灯三基 色荧光粉（红色Y2O3：Eu3+，兰色BaMg2Al16O27： Eu3+及绿Ce0.67Tb0.33Al11O19） ，具有光效好、 光色好、寿命长等特点，较白炽灯节电75%；作为 显示器发光材料具有高亮度、高对比度、大信息容 量、彩色化、吸收能力强、转换效率高、荧光寿命 从纳秒到毫秒跨越6个量级、物理化学性能稳定等优 点，广泛用于彩色电视机和彩色投影电视三基色荧 光体、计算机及各种显示屏、雷达、x射线增感屏、 核辐射探测记录、医学放射图象等。稀土荧光粉还 用于各种功能灯（验钞灯、保健灯、杀虫灯等）和 防伪材料。
湖南稀土资源:湖南稀土矿产资源丰富，分布广、 规模较大。主要矿床为冲击型独居石沙矿床、风化 壳独居矿物型矿床、离子吸附型稀土矿床。独居石 的探明储量居全国第一。冲击型独居石沙矿床集中 分布在湘东北岳阳地区（华容、岳阳、湘阴），风 化壳独居矿物型矿床和离子吸附型稀土矿床集中在 湘南地区（江华、桂东、资兴、郴县、蓝山、汝城、 临武、耒阳、宜章），一般为重稀土矿床，也有轻 稀土。矿石品位高、质量好。 华容三廊堰，岳阳埂口，湘阴望湘；江华姑婆山， 耒阳上堡小冲头，宜章莽山，桂东寨前，汝城诸广山， 资兴彭公庙，郴县骑田山，蓝山西山，临武香花岭， 等。
性质：稀土元素由于其独特的4f电子结构，因而有 典型的金属特性。金属形态的稀土元素有良好的导电性、 延展性和金属光泽，燃点低，化学性质活泼，易与其他 元素作用，几乎能与所有非金属元素生成稳定的化合物， 其氧化物有很高的熔点和多种颜色。其金属活泼性仅次 于碱金属和碱土金属，活泼性按原子序数递增。另外还 具有独特的电、磁、光和催化性能。稀土元素是亲石元 素，常见的是以氧化物、硅酸盐、磷酸盐、磷硅酸盐、 氟碳酸盐以及氟化物等形式存在，在矿物中常与其他元 素共生
大量研究发现，稀土元素的加入将对材料的性能 有显著的改善。稀土在功能材料中的应用将大大提 高稀土资源开发利用的经济效益和社会效益。开展 新型稀土材料的基础理论研究、技术创新研究及产 业化研究是国家急需解决的一个极为重要的课题。
二.我国稀土资源概况及在传统产业领域中的应用
1.稀土元素（rare earth或RE） 稀土元素：是元素周期表第三副族中原子序数57-71 的15个镧系元素和钪（Sc）、钇（Y）的总称（共17 个元素）。
3.稀土在传统产业领域中的应用 农业：稀土是植物生长、生理调节剂，对农作物具 有增产、改善品质、增强抗旱抗涝抗伏倒抗病能力 等作用，低毒或无毒，对人畜无害，无环境污染。 其应用涉及粮食作物、蔬菜、水果、牧草及养鱼养 鸡等畜牧业。
冶金工业：钢中加入少量稀土，能起到脱氧、脱 硫、改变夹杂物形态等净化和变质作用，显著提高 钢的强度和韧性；不锈钢中加入少量稀土，能提高 其耐热耐蚀性，防止热加工裂纹；少量稀土可使合 金钢强度显著提高、能降低石墨对铸铁基体的分割 破坏作用；高活性的稀土加入到有色金属及合金中， 可以去除残留气体和有害杂质、细化组织、改善合 金组织形态、形成金属间化合物、产生固溶强化、 提高耐热性（再结晶温度）、改善工艺性能（减少 偏析、气孔、缩水、表面裂纹）。
石油化工：稀土元素具有高氧化能和高电荷的大 离子，很容易获得和失去电子。因而广泛用做催化 剂。石油工业中的稀土分子筛裂化催化剂活性高、 选择性好、汽油生产率高。 玻璃工业：稀土在玻璃工业中的应用主要为三个 方面：玻璃着色、玻璃脱色、制造特种性能玻璃。 稀土光学玻璃（镧玻璃等）可提高折射率、降低色 散、增加抗腐蚀性，广泛用做各种透镜和高级照相 机、摄像机镜头。
2.我国稀土资源 中国稀土资源:占世界已探明储量的80%，储量达 3600万吨（以稀土氧化物计），远景储量一亿吨， 居世界首位。而且品种齐全、质量高、易开采。已 形成南、北两大体系。北方主要为轻稀土资源，分 布在内蒙古的包头白云鄂博（铁稀土共生矿）和四 川的冕宁（氟碳铈矿），有镧、铈、镨、钕和少量 钐、铕、钆。南方主要为中重稀土资源，分布在江 西、福建、广东、广西、湖南，有钐、铕、钆、铽、 镝、钬、铒、铥、镱、镥和镧、钕等。
4.我国稀土产品发展概况 自1986年以来，我国稀土产量已经超过美国，成 为世界第一的稀土生产大国，目前我国稀土产量已 占世界总产量的70%，已能够生产近千个规格的 400多种稀土产品，产品结构正从初级产品向高纯、 高附加值、单一稀土方向发展，单一稀土化合物和 金属的产量占总商品量的30%以上。稀土应用技术 日益成熟、应用范围不断扩大。具有“工业味精” 之称的稀土元素由于其特殊的性能，已广泛应用于 传统产业领域，同时稀土功能材料已逐步成为信息、 生物、新能源、新材料等高新技术领域中的关键材 料。
稀土掺杂磁性合金微粉 铁磁合金微粉中掺杂 或含稀土元素有利于改善微波电磁参数和吸收性 能。例如：对CoFeZrRe合金微粉，稀土元素的 掺入能有效调整材料的微波磁导率和频响特性， 加入适量的Tb有利于获得高的微波磁导率和大的 磁损耗；Nd3Fe66Mn2Co18B11纳米合金粉在GHz 低频位置（2.7GHz）有6.9dB的微波吸收。
稀土吸波材料是目前一个重要的研究方向。稀土元 素具有未成对的4f电子，对离子磁矩有贡献的是4f电子， 它们的原子和离子具有特殊的电磁性能，大多数稀土元 素都有比一般顺磁性物质高得多的的质量磁化率，其中 钆具有铁磁性。镧虽然没有4f电子，基态时其4f壳层是 空的，但在激发态时可能有电子进入4f壳层。因此，在 许多功能材料中镧充当了重要角色，镧的加入可引起复 杂多变的结构和性质。添加稀土元素将对稀土吸波材料 的复磁导率、复介电常数和共振频率等吸收机制产生影 响。目前，正在研究的稀土吸波材料有以下几种：
稀土高分子发光材料:将稀土化合物与聚合物复 合可制成稀土高分子发光材料，目前已经有三基色 荧光高分子材料。将铕有机配合物掺杂到聚乙烯或 聚氯乙烯树脂中，可得到转光农用膜，能将太阳光 中不能被植物利用的紫外线转换成可被植物光合作 用利用的可见光包括蓝光和红光，使棚温升高、透 光率增加。
2.稀土吸波材料 吸波材料是军事隐身、电磁信息泄露防护、电磁 干扰防护、电磁污染防护等国防军工与民用技术领 域中的关键材料之一。近年来，一些研究发现，稀 土在吸波功能材料中有重要的应用。稀土元素作为 掺杂成分能使材料吸波性能大大提高。稀土对吸波 材料的影响主要体现在吸收峰位置移动，有效频带 加宽，吸收强度大大增加，匹配厚度变薄。
稀土在功能材料中的应用
周克省 （中南大学）
主要内容
一、引言 二、我国稀土资源概况及稀土在 传统产业领域中的应用 三、新型稀土功能材料 四、结束语
摘பைடு நூலகம்
要
稀土元素具有特殊的电、磁、 光与催化性能。稀土在传统产业中 有许多应用，而在现代功能材料领 域用途更加广泛。
一、引
言
稀土元素化学性质活泼，具有特异的电、磁、光 和催化性能，因而在工业生产和科学研究中应用广泛。 稀土产品在传统产业领域（如冶金、石油化工、玻璃、 陶瓷、农业）中的应用市场已大致稳定，而新型稀土 材料尤其是功能材料却在快速增长。稀土元素已成为 现代功能材料中不可缺少的原料。 通过各种稀土化合物或掺稀土物质的合成、组成、 结构、性质和器件的研究，国内外已出现和将出现的 各种新型稀土功能材料包括光学功能材料、吸波功能 材料、信息与传感功能材料、环境功能材料、磁性功 能材料、储氢与能源功能材料、导电与电子功能材料 等。
镧系元素：镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）、 钕（Nd）、钷（Pm）、钐（Sm）、铕（Eu）、钆 （Gd）、铽（Tb）、镝（Dy）、钬（Ho）、铒 （Er）、铥（Tm）、镱（Yb）、镥（Lu）。 “轻稀土元素”：钪（Sc）、钇（Y）、镧 （La）—铕（Eu）。 “重稀土元素”：钆（Gd）—镥（Lu）。 地球上稀土分布：约占地壳总量的0.016%，丰度 比常见的铜、铅、锌、锡还多，但目前真正成为可开采 的稀土矿并不多，且在世界上的分布很不均匀，主要集 中在中国、美国、印度、前苏联国家、南非等国。
稀土混合氧化物 添加微量稀土氧化物可以提高铁 氧体微波吸收性能。例如：在铁砂、铁氧体和铁磁-铁 电等复合电波吸收材料中掺入一种或多种微量稀土氧 化物能大幅度提高材料的吸波特性；LiFe5O8中添加少 量的Nd2O3 后，吸收值增大；SmO和α-Fe 两相混合物 粉末在1-5GHz低频段范围具有良好的微波吸收特性； 将已被氧化的废料Nd2Fe14B与Li2CO3、TiO2、ZnO2混 合制得纳米复合材料，该材料在7-10GHz频率范围有 优良的微波吸收性能；Singh 等发现[Ca(NiTi)xFe122xO19]96.0[La2O3]4.0 和[Ca(CoTi)xFe12-2xO19]96.0[La2O3]4.0 在8-12.4GHz测试频率范围的微波吸收系数均在15dB 以上，吸收峰值31 dB。