稀土元素钇及其应用[1]

Ｒ　科普知识　Ｅ　Ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ　稀　嚣素　钇是人类发现的第一个稀土　元素。１９８７年，业余矿物学家、瑞典　陆军中尉阿累尼乌斯（Ｃ．Ａ．Ａｒｒｈｅ—　ｎｉｕｓ）在斯德哥尔唪附近一个名叫　伊特比（Ｙｔｅｅｒｂｙ）的小村捡到一块　他从未见到过的象沥青一样的黑　色矿石，就借用这个村名将其命名　为Ｙｔｅｅｒｉｔｅ（实际为硅铍钇矿）。时　隔７年后的１７９４年，芬兰化学家　加多林（Ｊ．Ｇａｄｏｌｉｎ）声称从这种矿物　中发现了一种新元素“钇土”，将其　命　为Ｙｔｅｅｌｉｕｍ（钇）。大家都把　１７９４年算作人类发现稀土的起始　年一其实，当初加多林发现的“钇　土”只不过是“钇组稀土”混合氧化　物：科学家后来又从中ｌ卡Ｈ继发现了　镱、铒、铽等重稀土元素：　钇位于元素周期表巾ⅢＢ族，　但他　是“镧系家族”成员。其原子　量为８８．９，金属比重仅为４．４７，而镧　系元素中铽以后的金属比重均在８　以　，也就是说钇比镧系金属轻得　多。但钇的离子半径（０．９）却与铽　（０．９２３）、镝（０．９１２）、钬（０．９０１）等非　常接近，使其化学性质更接近重稀　土元素。在自然界中钇与其他重稀　—熏　赫爨　晓哲　土元素总是　生任一起。由于钇的　地壳丰度较高（３０ｐｐｍ），在稀土家　族巾仅次于铈、镧、钕等轻稀土元　素，远高于其他重稀土元素，又是　第一个被发现，也就理所当然地成　为重稀土家族的“族长”。钇组重稀　七通常包括钇和铽镝钬铒铥镱镥　等八个成员　、重稀土矿的名称通常　也以钇作为代表，如磷钇矿、偈钇　铌矿、高钇离子型矿和巾钇富铕离　子型矿等，郜是以钇为主要成分的　重稀土矿　我困不但拥有储量居世　界第一的内蒙古白云鄂博轻稀上　矿ＪＪＩ，还拥有南岭地区我国特有的　重稀土资源，我国氧化钇工业储量　达２２万吨，．　世界总储量５１万吨　的４３％，也唇　｛：界首位：　由于自然界重稀土资源远少　于轻稀七，按照“物以稀为贵”的原　则，重稀土价值普遍高于轻稀土，　限制ｊ－重稀上的广泛应用。但钇由　于资源充足，性能优异，成为重稀　七家族中用途最为广泛的一员。　金属钇是镁、铝、钛等有色金　属的优良净化剂和改性添加剂。钇　镁合金拥有良好的高温机械性能　和优异的高温抗氧化性能，可用作　航空、航天、家用电器和机器人等　方面的结构材料。日本开发出具有　高强度、高延展性、耐热、质轻的含　钇２％的镁合金，声称是世界上强　度最高的镁合金，其强度至少是普　通镁合金的２．５倍。在其横截面积　为１平方毫米的合金丝上挂６０千　克的重物也不会变形，同时具有高　强度和高延展性。众所周知，稀土　硅铁镁中间合金是生产球墨铸铁　的球化剂，如果采用钇基重稀土合　金作为球化剂，由于钇具有优良的　抗球化衰退作用，特别适合于生产　水轮机主轴等大断面球铁铸件。但　这种稀土合金有时是钇和铽镝等　稀缺重稀土的混合物，用起来总让　人感到可惜。　钇最为广泛的用途还是各种　功能材料。在发光材料、激光材料、　高温超导材料和精密陶瓷材料等　领域中钇都显示出特别优异的性　能。　２０世纪６０年代，以铕为激活　剂、钇化合物为基质材料的红色荧　光粉诞生，包括铕激活的钒酸钇　

贪吃蜂蜜的苍蝇准会溺死在蜜浆里。　

维普资讯 http://www.cqvip.com 总第２５７　２００５年　ＲＥＫ

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（ＹＶＯ４：Ｅｕ　）、氧化钇（Ｙ２０３：Ｅｕ　）和　硫氧化钇（Ｙ　０　Ｓ：Ｅｕ　）红色荧光粉　很快被应用于彩色电视显像管　（ＣＲＴ）中，解决了彩电三基色中红　色不纯正的难题，使彩电画面的色　彩质量产生飞跃性提高，能够更加　逼真地再现五光十色的大千世界。　尽管目前等离子和液晶等新型彩　电不断涌现，但由于ＣＲＴ技术成　熟，性能不断改进提高，至今在高　清晰度彩电和计算机显示器中仍　拥有很大市场。以钇为基质材料的　多种红色荧光粉还被用于新型电　光源和平面显示，如稀土三基色红　色荧光粉（Ｙ　Ｏ，：Ｅｕ　），已被广泛应　用于各种紧凑型和直管型稀土节　能灯，用于取代钨丝白炽灯，可节　电８０％，而且照物色彩不失真，被　称为新型绿色节能照明产品。这类　红色荧光粉还被用于等离子平面　显示，即当前十分流行的壁挂式等　离子彩电。也被用于投影电视用红　色荧光粉（Ｙ　０，：Ｅｕ。　）。钇还被用于　长余辉荧光材料，如以铥为激活剂　的硫氧化钇（Ｙ　Ｏ　Ｓ：Ｔｍ　）制得的橙　黄色长余辉荧光粉，以钐为激活剂　的硫氧化钇（Ｙ　Ｏ　Ｓ：Ｓｍ　）红色长余　辉荧光粉，都可用于夜间自发光显　示器件。　钇铝石榴石（Ｙ，Ａ１　Ｏ。　，简称　ＹＡＧ）是用途十分广泛的一类晶体　材料。掺钕钇铝石榴石（ＹＡＧ：Ｎｄ）　激光晶体具有良好的光学均匀性，　机械强度高，物化性能稳定，导热　系数高，激光性能良好及生长工艺　成熟等优点，在室温下可实现连续　脉冲运转，是目前固体激光材料中　用量最大的激光晶体。广泛用于激　光打孔与焊接、激光测距、激光制　导和医用激光手术刀等方面，已是　军用固体激光技术的支柱材料。掺　钕硼酸钇钡ＹＢａ，（ＢＯ，），：Ｎｄ　等新型　激光晶体，可产生１０６０ｎｍ波长的　激光输出。用其制成的固体激光器　可用于光谱学、生物医学、军事等　诸多领域。钇铝石榴石还被用作荧　光材料，如以铽为激活剂，以钇铝　镓石榴石为主要基质的绿色荧光　粉被用于投影电视。　在最新型的照明技术——半　导体照明（ＬＥＤ）中，钇也能派上用　场。可以被蓝光有效激发的发黄光　的铈激活的稀土石榴石荧光体（Ｙ，　Ｇｄ）３（ＡＩ，Ｇａ）５Ｏｌ２：Ｃｅｎ与蓝色ＩｎＧａＮ　ＬＥＤ芯片相结合，可实现新型半导　体照明——白光ＬＥＤ，我国采用这　种荧光体制作白光ＬＥＤ的技术已　达到了国际先进水平。　氧化钇是固体电解质和精密　陶瓷的优良稳定剂。用氧化钇稳定　的氧化锆（ＹＳＺ）用途十分广泛。把　氧化钇固溶于氧化锆中，可以消除　材料加热冷却时由于相变膨胀收　缩引起的破坏。含Ｙ２Ｏ，８％的ＹＳＺ　已被用作固体氧化物燃料电池　（ＳＯＦＣ）的电解质。钇还被用做这　种燃料电池的多孔阳极Ｎｉ－（Ｚｒ，Ｙ）　０　这种固体燃料电池可以用柴　油、煤气为燃料发电，电能转化效　率高达６０％以卜，被看作是继水　电、火电和核电之后第四代发电技　术，其中ＳＯＦＣ最具代表性。一旦　在工业上大量推广，将成为钇的一　大消费领域。氧化钇稳定四方结构　的氧化锆可以与二硫化钼制备自　润滑陶瓷复合材料。该材料具有团　除了通过黑夜的道路．人们不会达到黎明。　Ｅ　聚少，烧结活性高，均匀性好和摩　擦系数与磨损系数小的优良特性。　用钇稳定的氧化锆制作的人　造钻石，俗称锆钻，具有优异的硬　度和光学性质。在氧化锆中添加　１６％氧化钇，在２８００℃高温下抽成　单晶就成为有名的“苏联钻”，其折　射率２．１４，和真钻２－４很接近，硬度　达８－２度，可轻而易举地切割玻璃，　十分接近天然钻石，用其制作的仿　真钻石饰品几乎可以以假乱真。　在高温结构陶瓷氮化硅　（Ｓ　Ｎ　）加入４％～８％的Ｙ２０３作为致　密助剂，可以大大增强陶瓷材料的　强度和韧性，这种具有优良耐磨和　耐冲击韧性的陶瓷材料可用于燃　汽涡轮发动机、耐磨零部件、切削　金属刀头、刀具等方面。在氧化锆　基结构陶瓷中加入Ｙ　０，，也可明显　提高材料性能，被用作制备发动机　缸套。在氮化铝（Ａ１Ｎ）导热陶瓷中　加入Ｙ　Ｏ，，由于形成了钇铝石榴石　（Ｙ　Ａ１　Ｏ。　）相，使片状Ａ１Ｎ的热导　率比Ａ１　Ｏ，高７倍，可用作晶体管　和二极管优质散热基片。　２０世纪８０年代，钇钡铜氧　（ＹＢＣＯ）高温超导材料的诞生，引　发了世界性稀土高温超导材料的　研发热潮，但由于材料的稳定性问　题，一直未能工业化大量使用。　２００４年，我国采用钇钡铜氧高温超　导薄膜研制成功的ＣＤＭＡ移动通　信用高温超导滤波器系统，使钇钡　铜氧高温超导材料在我国首次获　得实际应用，并使我国成为继美国　之后第二个实现超导滤波器在移　动通信中应用的国家，标志着稀土　高温超导技术已经进入应用时代。　

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维普资讯 http://www.cqvip.com Ｒ　科普知识　Ｅ　Ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ　这种滤波器具有十分理想的滤波　性能，比传统金属滤波器大大提高　了系统的灵敏度和选择性。用于　ＣＤＭＡ移动通信基站，信号损耗　少，手机发射功率降低为原来的一　半左右，可以显著提高基站的接收　灵敏度，增强抗干扰能力，改善通　话质量，扩大基站的覆盖范围，增　加通信容量，同时大大降低微波对　人体健康的影响。他还能应用于卫　星通信、信息战武器装备等微波工　作领域。　纯钒酸钇晶体是长距离光纤　通汛用优质材料，足性能极佳的双　折射晶体，具有双折射率大、透过　率高、透光波段范围宽、抗潮解和　易加工等特点，可广泛应用于光纤　传输的无源器件中，使传输光信号　增大约十倍，提升信号强度，补偿　了传输损耗。钇还被用于光学玻　璃，如在具有高折射、低色散性能　的镧系光学玻璃中加入氧化钇　（５％～ｌ５％），呵以抑制晶化（失透）　倾向，提高材料的使用稳定性。国　外还开发出一种掺钇光子晶体光　纤，比现有的掺钇双包层阶梯折射　率光纤的性能更好，可以实现光纤　激光器更大的输出功率，并允许掺　杂光敏材料以制作光纤光栅，从而　可制作紫外激光器。日本科学家开　稀土生产中的　稀土工业生产的“三废”系指　除了生产出各种形式的稀土产品　以外，伴随产生一定数量的“废弃　物”，即废气、废水、废渣。这些废　弃物中，往往含有对生物有害的　物质。如果不处理而任意排放，就　会造成对周围环境的污染。因此，　限制或缩小“三废”中有害物质的　扩散。回收其中的有用成分，就可　以化有害为无害，变废为宝。　稀土生产中的废气　稀土生产中的废气：一是含　尘气体，通过以下生产过程产生：　采矿、破碎、选矿过程；稀土精矿　球团化过程，稀土精矿的碱焙烧　过程，稀土火法冶金过程，稀土中　问产品或成品的干燥、粉碎、研磨　及包装。二是放射性气体，主要是　生镌　鬻　鬻　ｉ黧　…　空气中含铀、钍的粉尘以及他们　的氡及其子体的气溶胶。三是含　毒气体，稀土生产中还会产生含　有液体颗粒（雾）和杂质气体的有　毒气体。产生这一类废气的主要　工艺有：稀土精矿的酸法焙烧、稀　土矿物氯化分解、氯化稀土熔盐　电解、湿法冶炼中的各种化学操　作过程等。其主要毒物有氟化氢、　四氟化硅、二氧化硫、氯气、各种　酸、碱溶液雾、有机萃取剂及溶剂　的蒸汽等。　稀土生产中的废水　稀土生产过程中的废水主要　来源于：选矿废水、设备和地面冲　洗水、废气净化洗涤水、湿法冶炼　中的各种废液、冷却水、化验室下　水及生活污水等。其有害成分主　发出掺钕钇铝石榴石或钒酸钇　（ＹＶＯ　）激光——金纳米粒子彩色　标记技术，根据金纳米粒子直径大　小不同而发出红、蓝、金等各种颜　色的性质，利用激光照射产生不同　颜色图案的标记技术，可用于汽车　标印及手表表盘原创设计等方面。　钇的放射性同位素钇一９Ｏ可　用于治疗淋巴肿瘤，利用其释放的　射线可以与抗癌药物单克隆抗体　联合，形成“交叉火力”，深入肿瘤　内部杀死癌细胞。比单独药物治疗　效果更为显著。因放射线释放仅在　放射源周围５毫米范围内，对正常　组织的损害比较小。