稀土材料概论 第一章 稀土资源及其材料应用 二、稀土材料应用现状和展望

提问： 1. 稀土在传统材料领域中有哪些应用？ 2. 稀土在新材料领域中有哪些应用？

二、稀土材料应用现状和展望 稀土元素独特的电子层结构及物理化学性质，为稀土元素的广 泛应用提供了基础。 57 镧 La 58铈Ce 59镨Pr 60钕Nd 61钷Pm 62钐Sm 63铕Eu 64钆Gd 65铽Tb 66镝Dy 39钇Y 67钬Ho 68铒Er 69铥Tm 70镱Yb 71镥Lu 轻稀土（铈组） 重稀土（钇组） 铈 组 铽 组 钇 组 （硫酸复盐难溶） （硫酸复盐微溶） （硫酸复盐可溶） 轻稀土 (P0204弱酸萃取) 中稀土 (P204低酸萃取) 重稀土 (P204中酸萃取)

二、稀土材料应用现状和展望 （一）稀土元素的分组 稀土材料最早的应用是在1886年人们用硝酸钍加人少量稀土作白炽灯罩开始。 1902 ~ 1920年间先后发现了稀土在打火石、电弧灯上的炭精棒以及玻璃着色方面的应用。 但由于稀土价格昂贵，故用量极少。 直到20世纪60年代以后，稀土分离技术，尤其是溶剂萃 取和离子交换分离单一稀土技术的发展以及稀土基础科学和应用科学的深人研究，大幅度降低了稀土的价格，并迅速地扩大了稀土的新应用，人们研究开发了许多新的稀土材料，并使稀土从传统的应用领域发展到高新技术领域。

二、稀土材料应用现状和展望 1962年发现稀土催化裂化分子筛，用于石油工业。 1963~1964年，发现稀土红色荧光粉，用于彩色电视；稀土钴合金永磁材料；钇铁石榴石铁氧体（YIG)用于雷达环行器；钇铝石榴石（YAG)激光晶体用于激光器。 1971~1972年将稀土金属及合金用于高强度低合金钢，以制造大口径天然气和石油输运管道。 1986年，J.D.Bednorz和K.A.Mnller在Ba-La-Cu-0体系中观察到起始转变温度为35K的超导 现象， 1987年中国科学院获得了液氮温区的钡钇铜氧化物超导体，接着国内外许多科学家 的出色工作使稀土超导材料研究向纵深发展。 进人20世纪90年代以来，稀土在新材料领 域中的应用得到迅猛发展，并有力地推动着当代国民经济和科学技术的发展。

二、稀土材料应用现状和展望 （二）稀土在传统材料领域的应用 稀土被广泛应用于国民经济生产的各个领域，被当今世界科学 家称为“２１世纪的新材料宝库”，是涉及到国家安全的战略资 源和高科技材料。 美国国防部公布的35种高科技元素中，包括了除了Pm以外的16 中稀土元素。日本科技厅选出的26种战略性元素，16种稀土元 素全部包括在内。 而中国白云鄂博稀土矿占全世界可开采资源的90%，世界70% 的稀土消耗量靠中国出口，所以中国地质学家把稀土称为“上帝 对苦难中国人的唯一眷顾”。 冶金行业、石油化工、玻璃陶瓷

二、稀土材料应用现状和展望 1、冶金行业 稀土最早应用于冶金等传统领域，利用稀土金属的高活泼性， 使其有效地去除氮、氧、硫及其它有害杂质，起到净化金属 的作用；通过控制硫化物及其它化合物形态，起到变质、细 化晶粒和强化基体的作用。

钢铁工业是我国使用稀土最多的领域。 二、稀土材料应用现状和展望 1、冶金行业 稀土在钢铁中最重要的应用是作为钢中的添加剂和铸铁的球化剂。 作为添加剂，加入钢中，可提高强度、抗氧化性和耐磨性；加入铸 铁中，提供好高温下的机械性能和韧性；加入铝导线中，提高导电 率、强度和可加工性能；在铝、镁、锌、镍、钛、铜中加入少量稀 土，可生产特种合金；利用稀土的活泼性，还可用于制造打火石和 各种军用发火合金等等。 添加0.15%~0.25%稀土的铝合金导线，其导电率可提高1％～3％。 钢铁工业是我国使用稀土最多的领域。

二、稀土材料应用现状和展望 2、石油化工 在炼油业作为石油裂解的催化裂化剂。可提高轻质油的产率5 ％，提高裂解装置能力20~30%. 目前世界上90％的炼油裂化装置都使用含稀土的催化裂化剂。

二、稀土材料应用现状和展望 2、石油化工 稀土除用来制造石油裂化催化剂外，还可在很多化工反应中用作 催化剂。如稀土催化剂已成功地用于合成异戊橡胶和顺丁橡胶的 生产，使用催化剂为去铈混合轻稀土的环烷酸盐，以镨钕富集物 效果更好。

二、稀土材料应用现状和展望 3、玻璃陶瓷 利用稀土固有的晶体结构、化学活性及其带色离子，将其用 作玻璃澄清、抛光、脱色和陶瓷颜料等。 CeS2染料现已大量开始取代含有毒重金属镉和铅的染料，广 泛应用于塑料、纺织等领域的着色、染色上，市场前景非常 广阔。

二、稀土材料应用现状和展望 （三）稀土在新材料领域的应用 在新材料领域，稀土元素丰富的光学、电学、磁学以及其他许多性能得到了充分的应 用。这些稀土新材料根据稀土元素在材料中所起的作用粗略地可分为两大类： 一类是利用 4f电子特征的材料； 一类是与4f电子不直接相关，主要利用稀土离子半径、电荷或 化学性质上的有利特性的材料。 在当代社会经济和高技术诸多领域中，稀土新材料发挥着重要作用，并且派生出许多 新的高科技产业。这些稀土新材料主要包括稀土磁性材料、稀土发光材料和激光材料、稀 土特种玻璃和高性能陶瓷、稀土发热与电子发射材料、稀土储氢材料、稀土催化材料、稀 土超导材料、稀土核材料以及其他稀土新材料。

铈组轻稀土制备特种玻璃，稀土掺杂制备陶瓷材料 稀土与过渡族元素的化合物MMNi5及LaNi5 二、稀土材料应用现状和展望 稀土的“工业维生素”作用正日益体现在新型功能材料上 。 （三）稀土在新材料领域的应用 稀土永磁材料，磁致伸缩材料，巨磁阻材料，稀土磁光材料，磁制冷材料 稀土磁性材料 稀土4f电子在不同能级之间跃迁 稀土发光和激光材料 铈组轻稀土制备特种玻璃，稀土掺杂制备陶瓷材料 特种玻璃和高性能陶瓷 稀土与过渡族元素的化合物MMNi5及LaNi5 稀土储氢材料 LnBa2Cu307_x—系列稀土氧化物 稀土超导材料 汽车尾气净化 稀土催化材料 具有不同的热中子俘获界面和许多其他性能 稀土核材料

二、稀土材料应用现状和展望 据统计，目前世界稀土消费总量的70%左右是用于材料方面。稀土材料应用遍及了国 民经济的30多个行业。

二、稀土材料应用现状和展望 1、稀土磁性材料 包括稀土永磁材料、磁致伸缩材料、磁致冷材料、磁光存贮材料 与稀土巨磁阻材料等。 磁性材料现状：磁性材料磁体的生产主要集中在亚洲。日本和欧 美的铁氧体磁体制造业向中国转移。 迄今，人们已经发展了三代永磁材料，即第一代SmC02，第二代 Sm2Co17，第三代NdFeB，目前正在开发第四代稀土永磁体SmFeN。 预测2010年中国的铁氧体磁体的产量将是全球产量的60％， NdFeB占全球的80％。

二、稀土材料应用现状和展望 1、稀土磁性材料 已广泛应用于全球支柱产业和其他高新科技产业中。如计算机工业、 汽车工业、通讯信息产业、交通工业、医疗工业、音像工业、办公自动化与家电工业等。 将来每个家庭使用钕铁硼永磁体的多少将标志着一个国家的现代化水平。 其主要应用是：汽车中的各电机和传感器、电动车辆、全自动高速公路系统（AHS)；计算机和微电脑的 VCM (音圈电机）、软盘驱动器、主轴驱动器；手机、复印机、传真机，CD、VCD、DVD 主轴驱动；电动工具、空调机、冰箱、洗衣机；机床数控系统、电梯驱动及各类新型节能 电机；核磁共振仪、磁悬浮列车；选矿机、各类磁水器、磁化器，小型磁透镜； 同步辐射光源、机器人系统、高性能微波管、鱼雷电推进、陀螺仪、激光制造系统、Al-pha 磁谱仪等尖端装置中； 磁传动、磁吸盘、磁起重器。此外，还用于汽车防雾尾灯、磁 疗器械、玩具、礼品、磁卡门锁、开关等。

二、稀土材料应用现状和展望 2005年10月12日9时，“神舟”六号载人飞船发射成功，包头稀土研究院继“神舟”五号之后又为“神舟”六号提供了重要的永磁 器件。要求性能和精度更高，产品性能稳定及适合各种环境条件下的温系数更加严格。

二、稀土材料应用现状和展望 2、稀土发光和激光材料 主要应用于灯用稀土荧光材料、显示用发光材料、光通讯和 光存储领域。 稀土发光是由稀土4f电子在不同能级间跃出而产生的，因激 发方式不同，发光可区分为光致、阴极射线、电致、放射性 和X光发光等。稀土发光具有吸收能力强，转换效率高，可 发射从紫外线到红外光的光谱，特别在可见光区有很强的发 射能力等优点。稀土发光材料已广泛应用在彩电显像管、计 算机显示器、稀土三基色节能灯、PDP等离子显示屏。

二、稀土材料应用现状和展望 2、稀土发光和激光材料 稀土发光材料广泛应用于计算机显示器、彩色 电视显像管（简称“彩管”）、三基色节能灯及医疗设备等方面。此外，还有稀土上转换发光材料，广用于红外探测、军用夜视仪等方面。稀土长余辉荧光粉具有白天吸收阳光、夜晚自动发光的特点，用作铁路、公路标志，街道和建筑物标牌等夜间显示， 稀土激光材料广泛用 于通讯、信息储存、医疗、机械加工以及核聚变等方面。在激光技术、医疗、科研领域应用广泛。

二、稀土材料应用现状和展望 红粉——铕激活的硫氧化钇Y202S:Eu荧光体。 绿粉——Y202S:Tb及Gd202S: Tb，Dy 高效绿色荧光体。 钇铝石榴石Y3Al5012：Nd (YAG: Nd) 钆钪镓石榴石GSGG:Nd

二、稀土材料应用现状和展望 3、稀土特种玻璃和高性能陶瓷材料 镧玻璃具有高折射、低色散的良好光学稳定性，广泛应用于各种透 镜、镜头材料、光线材料。 铈玻璃用作防辐射材料，具有在核辐射下保持透明、不变暗的特点， 在军事上和电视工业中有着重要的应用。 钕玻璃可以制成很大的尺寸，是巨大功率激光装置最理想的激光材 料。

二、稀土材料应用现状和展望 稀土高性能陶瓷包括稀土高温结构陶瓷和稀土功能陶瓷两大类。 稀土的氧化物、硫化物和硼化物具有很强的高温稳定性，后两者还同时有惰性物质，他们是制造高温结构陶瓷的优良原料。 冶炼金属的坩埚 硫化铈、六硼化铈 质谱仪 硼化物

二、稀土材料应用现状和展望 稀土功能陶瓷的范围更广，包括（电、热）绝缘材料、电容器介质 材料、铁电和压电材料半导体材料、超导材料、电光陶瓷材料、热电 陶瓷材料、化学吸附材料，还有固体电解质材料等。 在传统的压电陶瓷材料中掺入微量稀土氧化物可以大大改善这些材 料的介电性和压电性，使它们更适应实际需要。稀土元素如镧、铈、 钕在移动电话和计算机的多层陶瓷电容器中也发挥着重要作用。稀土 掺杂在热敏半导体材料中起着关键作用，这类材料可用作过电过热保 护元件、温度补偿器、温度传感器、延时元件及消磁元件等。

二、稀土材料应用现状和展望 4、稀土贮氢材料 定义：人们很早就发现，稀土金属与氢气反应生成稀土氢化 物REH2，这种氢化物加热到1000℃以上才会分解。而在稀土 金属中加入某些第二种金属形成合金后，在较低温度下也可 吸放氢气，通常将这种合金称为贮氢合金。在已开发的一系 列贮氢材料中，稀土系贮氢材料性能最佳，应用也最为广泛。 镍氢电池已经广泛应用于移动通讯、笔记本电脑、摄像机、 电动工具等。

二、稀土材料应用现状和展望 5、稀土超导材料 由于稀土超导体是一种高温超导材料，可使所需的环境温度由低 温超导材料的液氦区提高到液氮区（Tc=77K）以上，不但给操作使用 带来了方便，而且也大大降低使用成本。近几年研究表明，许多单一 稀土氧化物及其某些混合稀土氧化物是高温超导材料的重要原料。一 旦高温超导材料进入实用，整个世界将起翻天覆地的变化。目前，我 国在稀土超导材料的成材研究方面取得了有意义的突破。

二、稀土材料应用现状和展望 6、稀土气体净化催化材料 稀大气体净化催化材料具有原料易得、 价格便宜、化学稳定及热稳 定性好、活性较高、寿命长，且抗Pb、S中毒等优点， 稀土催化 剂表面发生的氧化反应和还原反应，将排放气体中的C0和 HC等有害物质氧化为C02和 H20，将N0X还原成N2。 稀土催化剂中使用的是Ce和La的化合物，Ce具有储氧功能，并能稳 定催化剂表面上的铂和铑等的分散性，La在铂基催化剂中可替 代铑， 降低成本。 在美国，汽车尾气净化用催化剂是最大的稀土用户。1996年占总用 量的45％。远高于稀土的第二用量石油裂化催化剂（24％）。

二、稀土材料应用现状和展望 7、稀土核材料 稀土金属由于具有不同的热中子俘获截面和许多其他特殊性能，使 其在核工业中得到了广泛的应用。 金属钇的热中子俘获截面小，而且他的熔点高、密度小是很好的反 应堆热强行结构材料，可用作输运核燃料液铀的管道等设备。 一些稀土元素的热中子俘获截面很大，如 钆、铕、钐，是优良的核反应堆的控制材 料，这些稀土金属及其化合物可用作反应 堆的控制棒、可燃毒物的抑制剂以及防护 层的中字吸收剂。

小结 稀土材料的种类繁多，用途极广，随着研究开发的进一步深人，新的稀土材料将会不断涌现。 稀土家族确实是一组神奇的元素，它们在传统材料改性和新材料研制开发中起着十分重要的作用，与国民经济及现代高新技术的发展关系极为密切，稀土新材料在信息、 能源、交通、环境等领域发挥着不可替代的作用。 稀土新材料的研究开发与应用水平，标志着一个国家高科技发展水平，也是一种综合国力的象征。

小结 我国稀土储量、产品产量、应用和出口量均居世界第一，但与美国、日本、法国等发达国家相比，我国在稀土材料的研究、开发及应用方面还存在一定的差距： 1）许多新材料的研制与开发仍停留在跟踪和吸收、消化 国外先 进技术上，自己独立研究试制的稀土新材料相对较少，仅发明 专利就与日本等国有较大的差距； 2）没有充分发挥稀土资源和产业的经济效益，资源浪费和环境 破坏严重，稀土科学基础研究投入不足，稀土科技和产业发展 战略研究缺乏。

小结 大力提升我国稀土产业自身高科技应用 水平，提高现有稀土产品的附加值，并由普通原料向高新稀土材料及其器件方向发展； 在加强基础理论研究的同时，要特别重视具有我国自主知识产权的稀土新材料和创新技术的开发，及时有效地把稀土材料基础研究成果转化为现实生产力

小结 针对稀土资源的利用要长远考虑，长远发展，政府不能贪一时之利大量出口。 要实现稀土资源的有效利用，必须综合考虑保护、开发、利用三个层面，权衡三个层面的关系，有组织、协调、科学发展。 这样才能解除种种瓶颈制约,使其资源优势真正转化为经济优势。

本节小结 1. 稀土元素的分组； 2. 稀土在传统材料领域的应用； 3. 稀土在新材料领域的应用。