稀土基本知识及用途介绍

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1、稀土的基本知识及用途介绍一、基本知识稀土的英文是 Rare Earth, 意即“ 稀少的土 ” 。其实这不过是 18 世纪遗留给人 们的误会。 1787 年后人们相继发现了若干种稀土元素，但相应的矿物发现却很 少。由于当时科学技术水平的限制，人们只能制得一些不纯净的、像土一样的氧 化物，故人们便给这组元素留下了这么一个别致有趣的名字。 根据国际纯粹与应用化学联合会对稀土元素的定义，稀土类元素是门捷列夫元 素周期表第三副族中原子序数从57 至 71 的 15 个镧系元素，即镧 （57） 、 铈 （58） 、 镨（59） 、钕（60） 、钷（61） 、钐（62） 、铕（63） 、钆（64） 、铽（

2、65） 、镝（66） 、 钬（67） 、铒（68） 、铥（69） 、镱（70） 、镥（71） ，再加上与其电子结构和化学 性质相近的钪（ 21）和钇（39） ，共计 17 个元素。除钪与钷外，其余15 个元素 往往共生。 根据稀土元素间物理化学性质和地球化学性质的某些差异和分离工艺的要 求，学者们往往把稀土类元素分为轻、重两组或者轻、中、重三组。两组的分法 以钆为界，钆以前的镧、镝、铈、镨、钕、钷、钐、铕7 个元素为轻稀土元素， 亦称铈组稀土元素；钆及钆以后的铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥和钇等9 个元素 称为重稀土元素，亦称钇组稀土元素。尽管钇的原子量仅为89，但由于其离子 半径在其它重稀土元素

3、的离子半径链环之中，其化学性质更接近重稀土元素。 在 自然界也与其它重稀土元素共生。故它被归为重稀土组。 轻中重三组稀土的分类 法没有一定之规，如按稀土硫酸复盐溶解度大小可分为： 难溶性铈组即轻稀土组， 包括镧、铈、镨、钕、钐；微溶性铽组即中稀土组，包括铕、钆、铽、镝；较易 溶性的钇组即重稀土组，包括钇、钬、铒、铥、镱、镥。然而各组之间相邻元素 间的溶解度差别很小， 用这种方法是分不净的。 现在多用萃取法分组， 例如用二 （2）乙基已基（磷酸）即 P204 可在钕 /钐间分组，然后再在钆 /铽间分组等。这 们，镧、铈、镨、钕称为轻稀土，钐、铕、钆称为中稀土，铽、镝、钬、铒、铥、 镱、镥再加上钇

4、称为重稀土。 稀土在地壳中的含量并不稀少，这组元素的克拉克值达0.0236%, 其中铈组 元素为 0.01592%, 钇组元素为0.0077% ；比常见元素铜（ 0.01%), 锌(0.005%), 锡(0.004%), 铅(0.0016%), 镍(0.008%), 钴(0.003%) 等都多。这组元素更不是土， 而是一组典型的金属元素，其活泼性仅次于碱金属和碱土金属。 表 1-1 稀土元素在地壳中的丰度 元 素 名 称地壳丰度， ppm 元 素 名 称地壳丰度， ppm Sc 25 Gd 6.1 Y 31 Tb 1.2 La 35 Dy 4.5 Ce 66 Ho 1.3 Pr 9.1 Er

5、1.3 Nd 40 Tm 0.5 Pm 4.5*10-1 Yb 3.1 Sm 7.06 Lu 0.8 Eu 2.1 稀土元素在元素周期表中的位置十分特殊,17 个元素同处在第 B 族，钪、 钇、镧、分别为第四、五、六、长周期中过渡元素系列的第一个元素。镧与其后 的 14 个元素性质十分相似，化学家们只能把它们放入一个格子内，难怪有人把 它们当成 “ 同位素 ” 对待，然而由于其原子序数不同，还不能算作真正的同位素。 就是说，它们性质十分相似，又不完全一样，这就造成了这组元素分离的困难， 但也表明只要利用其微小的差别，分离又是可能的； 另一方面， 它们的电子结构 有一个没有完全充满的内电子层，即

6、4f 电子层。由于 4f 层电子数的不同，这组 元素的每一个元素又具有很特别的个性，特别是光学和磁学性质， 就像是一架键 盘齐全、音域宽广的钢琴一样。 信息、生物、新材料、新能源、空间和海洋被当代科学家推为六大新科技群， 人们之所以重视稀土、 研究稀土、 开发稀土、 就是为稀土元素在这六大科技群中 都有其施展本领的天地。然而稀土元素毕竟还是一组尚不被人们完全认识的元 素，这就需要下大力气去研究、认识它们，从而去撑握它们，使它们对人类有更 大的贡献。二、稀土的常见用途下面我们就具体谈谈各种稀土元素的时机应用，以便更好的区别轻稀土和重 稀土：镧(La)：镧的应用非常广泛，如应用于压电材料、电热材料

7、、热电材料、磁阻材 料、发光材料（兰粉） 、贮氢材料、光学玻璃、激光材料、各种合金材料等。她 也应用到制备许多有机化工产品的催化剂中，光转换农用薄膜也用到镧， 在国外， 科学家把镧对作物的作用赋与“超级钙 “的美称。铈（Ce） ：1，铈作为玻璃添加剂，能吸收紫外线与红外线，现已被大量应用于 汽车玻璃。不仅能防紫外线，还可降低车内温度，从而节约空调用电。从1997 年起，日本汽车玻璃全加入氧化铈， 1996 年用于汽车玻璃的氧化铈至少有2000 吨，美国约 1000 多吨。2，目前正将铈应用到汽车尾气净化催化剂中，可有效 防止大量汽车废气排到空气中美国在这方面的消费量占稀土总消费量的三分之 一强

8、。 3，硫化铈可以取代铅、镉等对环境和人类有害的金属应用到颜料中，可 对塑料着色， 也可用于涂料、 油墨和纸张等行业。 目前领先的是法国罗纳普朗克 公司。4，Ce:LiSAF 激光系统是美国研制出来的固体激光器，通过监测色氨酸浓 度可用于探查生物武器， 还可用于医学。 铈应用领域非常广泛， 几乎所有的稀土 应用领域中都含有铈。 如抛光粉、储氢材料、 热电材料、铈钨电极、陶瓷电容器、 压电陶瓷、铈碳化硅磨料、燃料电池原料、汽油催化剂、某些永磁材料、各种合 金钢及有色金属等。镨(Pr)：1，镨被广泛应用于建筑陶瓷和日用陶瓷中，其与陶瓷釉混合制成色釉， 也可单独作釉下颜料，制成的颜料呈淡黄色，色调纯

9、正、淡雅。2，用于制造永 磁体。选用廉价的镨钕金属代替纯钕金属制造永磁材料，其抗氧性能和机械性能 明显提高，可加工成各种形状的磁体。广泛应用于各类电子器件和马达上。3， 用于石油催化裂化。以镨钕富集物的形式加入Y 型沸石分子筛中制备石油裂化催化剂，可提高催化剂的活性、选择性和稳定性。我国70 年代开始投入工业使 用，用量不断增大。 4，镨还可用于磨料抛光。另外，镨在光纤领域的用途也越 来越广。钕(Nd)：钕元素的到来活跃了稀土领域，在稀土领域中扮演着重要角色，并且左 右着稀土市场。 金属钕的最大用户是钕铁硼永磁材料。钕铁硼永磁体的问世， 为 稀土高科技领域注入了新的生机与活力。钕铁硼磁体磁能积

10、高，被称作当代“永 磁之王 “，以其优异的性能广泛用于电子、机械等行业。阿尔法磁谱仪的研制成 功，标志着我国钕铁硼磁体的各项磁性能已跨入世界一流水平。钕还应用于有色 金属材料。在镁或铝合金中添加1.52.5%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。 另外，掺钕的钇铝石榴石产生短波激光束， 在工业上广泛用于厚度在10mm 以下薄型材料的焊接和切削。在医疗上，掺钕 钇铝石榴石激光器代替手术刀用于摘除手术或消毒创伤口。钕也用于玻璃和陶瓷 材料的着色以及橡胶制品的添加剂。随着科学技术的发展， 稀土科技领域的拓展 和延伸，钕元素将会有更广阔的利用空间。钷(Pm) ：钷为核反应

11、堆生产的人造放射性元素，主要用途如下：1，可作热源。 为真空探测和人造卫星提供辅助能量。2，Pm147 放出能量低的 射线，用于制 造钷电池。 作为导弹制导仪器及钟表的电源。此种电池体积小， 能连续使用数年 之久。此外，钷还用于便携式X-射线仪、制备荧光粉、度量厚度以及航标灯中。钐（Sm） ：钐钴磁体是最早得到工业应用的稀土磁体。这种永磁体有SmCo5 系 和 Sm2Co17 系两类。 70 年代前期发明了SmCo5 系，后期发明了Sm2Co17 系。现在是以后者的需求为主。 钐钴磁体所用的氧化钐的纯度不需太高，从成本 方面考虑，主要使用95%左右的产品。此外，氧化钐还用于陶瓷电容器和催化 剂

12、方面。另外，钐还具有核性质，可用作原子能反应堆的结构材料，屏敝材料和 控制材料，使核裂变产生巨大的能量得以安全利用。铕（Eu） ：氧化铕大部分用于荧光粉。Eu3+用于红色荧光粉的激活剂，Eu2+用 于蓝色荧光粉。现在Y2O2S:Eu3+ 是发光效率、涂敷稳定性、回收成本等最好 的荧光粉。再加上对提高发光效率和对比度等技术的改进，故正在被广泛应用。 近年氧化铕还用于新型X 射线医疗诊断系统的受激发射荧光粉。氧化铕还可用 于制造有色镜片和光学滤光片，用于磁泡贮存器件，在原子反应堆的控制材料、 屏敝材料和结构材料中也能一展身手。钆(Gd)：1，其水溶性顺磁络合物在医疗上可提高人体的核磁共振（NMR）

13、成像 信号。 2，其硫氧化物可用作特殊亮度的示波管和x 射线荧光屏的基质栅网。3， 在钆镓石榴石中的钆对于磁泡记忆存储器是理想的单基片。4，在无 Camot 循环 限制时，可用作固态磁致冷介质。 5，用作控制核电站的连锁反应级别的抑制剂， 以保证核反应的安全。 6，用作钐钴磁体的添加剂， 以保证性能不随温度而变化。 另外，氧化钆与镧一起使用，有助于玻璃化区域的变化和提高玻璃的热稳定性。 氧化钆还可用于制造电容器、x 射线增感屏。在世界上目前正在努力开发钆及 其合金在磁致冷方面的应用， 现已取得突破性进展， 室温下采用超导磁体、 金属 钆或其合金为致冷介质的磁冰箱已经问世。铽(Tb)：1，荧光粉

14、用于三基色荧光粉中的绿粉的激活剂，如铽激活的磷酸盐基 质、铽激活的硅酸盐基质、 铽激活的铈镁铝酸盐基质， 在激发状态下均发出绿色 光。2，磁光贮存材料，近年来铽系磁光材料已达到大量生产的规模，用Tb-Fe 非晶态薄膜研制的磁光光盘，作计算机存储元件，存储能力提高1015 倍。3， 磁光玻璃，含铽的法拉第旋光玻璃是制造在激光技术中广泛应用的旋转器、隔离 器和环形器的关键材料。特别是铽镝铁磁致伸缩合金（TerFenol）的开发研制， 更是开辟了铽的新用途， 当 Terfenol 置于一个磁场中时， 其尺寸的变化比一般磁 性材料变化大这种变化可以使一些精密机械运动得以实现。铽镝铁开始主要用于 声纳，

15、目前已广泛应用于多种领域，从燃料喷射系统、液体阀门控制、微定位到 机械致动器、机构和飞机太空望远镜的调节机翼调节器等领域。镝（Dy） ：1，作为钕铁硼系永磁体的添加剂使用，在这种磁体中添加23%左 右的镝，可提高其矫顽力， 过去镝的需求量不大， 但随着钕铁硼磁体需求的增加， 它成为必要的添加元素，品位必须在9599.9% 左右，需求也在迅速增加。2， 镝用作荧光粉激活剂， 三价镝是一种有前途的单发光中心三基色发光材料的激活 离子，它主要由两个发射带组成，一为黄光发射，另一为蓝光发射，掺镝的发光 材料可作为三基色荧光粉。3，镝是制备大磁致伸缩合金铽镝铁（Terfenol）合 金的必要的金属原料，

16、能使一些机械运动的精密活动得以实现。4，镝金属可用 做磁光存贮材料，具有较高的记录速度和读数敏感度。5，用于镝灯的制备，在 镝灯中采用的工作物质是碘化镝，这种灯具有亮度大、 颜色好、色温高、体积小、 电弧稳定等优点，已用于电影、印刷等照明光源。6，由于镝元素具有中子俘获 截面积大的特性，在原子能工业中用来测定中子能谱或做中子吸收剂。7， Dy3Al5O12还可用作磁致冷用磁性工作物质。随着科学技术的发展，镝的应用 领域将会不断的拓展和延伸。钬(Ho)：1，用作金属卤素灯添加剂，金属卤素灯是一种气体放电灯，它是在高 压汞灯基础上发展起来的， 其特点是在灯泡里充有各种不同的稀土卤化物。目前 主要使用的是稀土碘化物， 在气体放电时发出不同的谱线光色。在钬灯中采用的 工作物质是碘化钬， 在电弧区可以获得较高的金属原子浓度，从而大大提高了辐 射效能。 2，钬可以用作钇铁或钇铝石榴石的添加剂。3，掺钬的钇铝石榴石 （Ho:YAG）可发射 2m激光，人体组织对 2m激光吸收率高， 几乎比 Hd:YAG 高 3 个数量级。所以用Ho:YAG 激光器进行医疗手术时，不但