材料化學(xué)第6節(jié)

1、 3.6.1稀土發(fā)光材料我國是世界稀土資源最豐富的國家，儲量超過世界總量的40%，在稀土研究方面有著得天獨厚的優(yōu)勢。稀土元素獨特的物理化學(xué)性質(zhì)，決定了它們具有極為廣泛的用途。稀土元素由于原子的結(jié)構(gòu)特殊，電子能級異常豐富，具有許多優(yōu)異的光、電、磁、核等特性，被稱為，現(xiàn)代工業(yè)的維生素”和神奇的，新材料寶庫。在新材料領(lǐng)域，稀土元素豐富的光學(xué)、電學(xué)及磁學(xué)特性得到了廣泛應(yīng)用。在高技術(shù)領(lǐng)域，稀土新材料發(fā)揮著重要的作用。稀土新材料主要包括稀土發(fā)光材料、稀土永磁材料、稀土超磁致伸縮材料、稀土陶瓷材料，以及其他稀土新材料，如巨磁阻材料、磁致冷材料、光致冷材料、磁光存儲材料等。物質(zhì)發(fā)光現(xiàn)象大致分為兩類：一類是物質(zhì)

2、受熱，產(chǎn)生熱輻射而發(fā)光；另類是物體受激發(fā)吸收能量而躍遷至激發(fā)態(tài)（非穩(wěn)定態(tài)）在返回到基態(tài)的過程中，以光的形式放出能量。以稀土化合物為基質(zhì)和以稀土元素為激活劑的發(fā)光材料多屬于后一類即稀土熒光粉。稀土元素原子具有豐富的電子能級，因為稀土元素原子的電了構(gòu)型中存在州六道，為多種能級躍遷創(chuàng)造了條件，從而獲得多種發(fā)光性能。稀土是個巨大的發(fā)光材料寶庫，在人類開發(fā)的各種發(fā)光材料中，稀土元素發(fā)揮著非常重要的作用。根據(jù)激發(fā)源的不同，稀土發(fā)光材料可分為以X射線激發(fā)稀土發(fā)光材料光致發(fā)光材料以紫外光或可見光激發(fā)陰極射線發(fā)光材料以電子束激發(fā)電致發(fā)光以電場激發(fā)X射線發(fā)光 1光致發(fā)光材材料一一燈用熒光粉稀土熒光粉主要應(yīng)用于辦公

3、室、百貨商店和工廠中的高性能熒光燈。2陰極射線發(fā)光材材料一一顯示用熒光粉主要用于電視機、示波器、雷達和計算機等各類熒光屏和顯示器。3，陰極射線發(fā)光材材料一一顯示用熒光粉為實現(xiàn)彩色電致發(fā)光平板顯示，目前大力研究開發(fā)摻雜稀土的電致發(fā)光的薄膜材料，一種等離子顯示板（PlaslnadisPlaypanel.PDP）己經(jīng)開發(fā)成功，制成了壁掛式的彩色電視機。PDP發(fā)光原理是在兩塊基玻璃基板之間的惰性氣體在電壓作用卜發(fā)生氣體放電而產(chǎn)生紫外線，進而激發(fā)三基色熒光粉而產(chǎn)生光。由于POP響應(yīng)速度快、視角大、亮度高從而可制成大屏幕。 4高技術(shù)用特種發(fā)光材料高技術(shù)用特種發(fā)光材料主要開發(fā)光電子信息技術(shù)需要的發(fā)光材料，如

4、衰減速度快、能量轉(zhuǎn)換效率高、耐輻照的主要開發(fā)光電子信息技術(shù)需要的發(fā)光材料，如衰減速度快、能量轉(zhuǎn)換效率高、耐輻照的新型新型閃爍體閃爍體，用于高能加速器和，用于高能加速器和X射線層析儀，光通信需要的紅外卜轉(zhuǎn)換材料等。射線層析儀，光通信需要的紅外卜轉(zhuǎn)換材料等。5熒光粉的其他應(yīng)用熒光粉的其他應(yīng)用(l）液晶后照式光源）液晶后照式光源后照式光源部分使用電發(fā)光控制板，主要采用亮度及色彩優(yōu)異的熒光燈。但這種熒光燈后照式光源部分使用電發(fā)光控制板，主要采用亮度及色彩優(yōu)異的熒光燈。但這種熒光燈的管徑相當于家用燈（普通直徑為的管徑相當于家用燈（普通直徑為30Inm）的）的1/10左右，燈管長度也很短，因此熒光粉的左右

5、，燈管長度也很短，因此熒光粉的用量很少，但對普通熒光燈來說，重要的是亮度和色彩再現(xiàn)性，用于后照式燈時，還要用量很少，但對普通熒光燈來說，重要的是亮度和色彩再現(xiàn)性，用于后照式燈時，還要求高負荷條件下的使用壽命長所以，雖然熒光粉的基本組成相同，但合成方法和表面求高負荷條件下的使用壽命長所以，雖然熒光粉的基本組成相同，但合成方法和表面處理工藝不同。處理工藝不同。(2）增感屏）增感屏醫(yī)用醫(yī)用X射線照相時，為將射線照相時，為將X射線圖像轉(zhuǎn)換為可視圖像，需使用增感屏增感屏也有多射線圖像轉(zhuǎn)換為可視圖像，需使用增感屏增感屏也有多種，其中高靈敏度增感屏使用種，其中高靈敏度增感屏使用“2025:Tb熒光粉與其他熒

6、光粉相比，熒光粉與其他熒光粉相比，2025:Tb可通過可通過X射線勵磁發(fā)出高效率的白光或綠光佑計這種熒光粉在日本的年產(chǎn)量為射線勵磁發(fā)出高效率的白光或綠光佑計這種熒光粉在日本的年產(chǎn)量為20t左右。左右。 16.2稀土磁性材料1稀土永磁材料稀土永磁材料是以稀土金屬和過渡族元素為主所組成、能長期保持磁性的金屬間化合物。它具有高飽和磁化強度、高各向異性場和較高的居里溫度等永磁材料所必備的性能。稀土永磁材料經(jīng)歷了3個階段的發(fā)展：20世紀60年代發(fā)明20世紀70年代發(fā)明，磁能積有了較大提高，特別是溫度穩(wěn)定性好：但由于主要原料是Sm和CO，成木高，一般用于軍工等特殊領(lǐng)域。20世紀80年代發(fā)明是當今磁能積最高

7、的永磁材料由于稀土永磁材料的高磁能積和高矯頑力等優(yōu)異的特性，己給永磁應(yīng)用帶來了革命性的變化，稀土永磁材料應(yīng)用于工業(yè)如一般電機，大電機如磁力泵、磁選設(shè)備、永磁吊車，醫(yī)療和家用電器等方面，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：(l）工業(yè)稀土永磁體的出現(xiàn)，意味著電機領(lǐng)域?qū)⒁鸶锩缘淖兓@是因為稀土永磁體沒有激磁損耗，不發(fā)熱，用它制造的電機優(yōu)點很多永磁電機，尤其是微電機，每年世界產(chǎn)量約幾億臺之多，主要用在汽車、辦公自動化設(shè)備和家用電器中所使用的多為高性能的鐵氧體和稀土永磁體。一般的磁選機有永磁式和電磁式兩種，以前，永磁式磁選機的磁體多用鐵氧體。稀土永磁出現(xiàn)后，設(shè)計并制造了各種型號和類型的永磁磁選機，尤其是在中高磁

8、場磁選機中，必須用稀土永磁體。(2）醫(yī)療醫(yī)院里用的核磁共振成像儀需要有強大的磁場系統(tǒng)支撐稀土永磁材料還被廣泛應(yīng)用于磁場療法，即通常所說的“磁療”. (3）電器揚聲器和耳機是永磁體傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域。揚聲器有外磁式和內(nèi)磁式兩種，稀土永磁出現(xiàn)后在同樣輸出功率與音質(zhì)下，揚聲器被做得非常小，目前稀土永磁揚聲器和耳機已應(yīng)用到高級隨身聽在計算機中使用的稀土永磁材料最多的器件是磁盤驅(qū)動電機（vcM)，另一種是數(shù)據(jù)輸出打印機電機還有很多種類的儀表，如磁電式儀表、計數(shù)器等使用永磁體。微波器件如微波管、毫波管發(fā)生器或放大器需要穩(wěn)定磁場，稀土永磁體在此中主要起電子運動的聚集作用。2稀土磁致冷材料磁致冷材料是用于磁致冷系統(tǒng)

9、的具有磁熱效應(yīng)的物質(zhì)。磁致冷首先是給磁體加磁場，使磁矩按磁場方向整齊排列，然后再撤去磁場，使磁矩的方向變得雜亂，這時磁體從周圍吸收熱量，通過熱交換使周圍環(huán)境的溫度降低，達到致冷的目的。磁致冷材料是磁致冷機的核心部分，即一般稱謂的制冷劑或制冷工質(zhì)。磁致冷所用的制冷材料基本都是以稀土金屬為主要組元的合金或化合物，尤其是室溫磁致冷幾乎全是采用稀土金屬Gd或Gd基合金。磁致冷制冷效率高，能量消耗低，更主要的是使用無害、無環(huán)境污染的稀土材料作為制冷工質(zhì)，取代目前使用氟利昂制冷劑的冷凍機、電冰箱、冰拒及空調(diào)器等，可以消除由于生產(chǎn)和使用氟利昂類制冷劑所造成的環(huán)境污染和大氣臭氧層的破壞，因而能保護人類的生存環(huán)

10、境，具有顯著的環(huán)境和社會效益。低溫磁致冷裝置具有小型化和高效率等獨特優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于低溫物理、磁共振成像儀、粒子加速器、空間技術(shù)、遠紅外探測及徽波接收等領(lǐng)域，萊些特殊用途的電子系統(tǒng)在低溫環(huán)境下，其可靠性和靈敏度能夠顯著提高3稀土磁光材料磁光材料是指在紫外到紅外波段，具有磁光效應(yīng)的光信息功能材料。稀土元素由于4f電子層未填滿，因而產(chǎn)生未抵消的磁矩，這是強磁性的來源，由于4f電子的躍遷，這是光激發(fā)的起因，從而導(dǎo)致強的磁光效應(yīng)。單純的稀土金屬并不顯現(xiàn)磁光效應(yīng)，這是由于稀土金屬至今尚未制備成光學(xué)材料只有當稀土元素摻入光學(xué)玻璃、化合物晶體、合金薄膜等光學(xué)材料之中，才會顯現(xiàn)稀土元素的強磁光效應(yīng)。利用這類材

11、料的磁光特性以及光、電、磁的相互作用和轉(zhuǎn)換，可制成具有各種功能的光學(xué)器件，如調(diào)制器、隔離器、環(huán)行器、開關(guān)、偏轉(zhuǎn)器、光信息處理機、顯示器、存儲器、激光陀螺偏頻磁鏡、磁強計、磁光傳感器、印刷機等。3.6.3稀土催化材料催化劑是一種能夠改變反應(yīng)速率但自身不發(fā)生化學(xué)變化的物質(zhì)。它不參與反應(yīng)，但少量存在就能加快反應(yīng)，即改變化學(xué)反應(yīng)速率。稀土催化劑及助催化劑種類繁多，但目前形成產(chǎn)業(yè)化的只有石油裂化催化劑、汽車尾氣凈化催化劑及合成橡膠催化劑。由于稀土與其他金屬催化組分具有良好的協(xié)同作用，因而稀土催化材料不僅具有良好的催化性能，而且具有良好的抗中毒性能和很高的穩(wěn)定性。例如鐘可變價，具有良好的儲放氧功能，廣泛應(yīng)

12、用于汽車尾氣凈化催化劑中；憫具有很好的穩(wěn)定性能，己成為催化領(lǐng)域的重要合成元素。隨著汽車的普及和人們對汽車尾氣污染危害認識的加深。要求控制汽車尾氣污染的呼聲越來越高。汽車排氣限制措施促進了對汽車尾氣的治理，特別是促進了對汽車尾氣凈化催化劑和汽車尾氣凈化裝置的研究。汽車尾氣中的有害成分主要有一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）、氮氧化物（Nox）。稀土汽車尾氣凈化催化劑所用的稀土主要是以氧化鐘、氧化錯和氧化憫的混合物為主，稀土汽車尾氣凈化催化劑由稀土與鉆、錳、鉛的復(fù)合氧化物組成，是一類二元催化劑，具有鈣欽礦、尖晶石型結(jié)構(gòu)，氧化還原活性較高，其中氧化鐘是關(guān)鍵成分。由于氧化鐘的氧化還原特性，能有效地控

13、制排放尾氣的組分。凈化汽車尾氣的催化劑在汽車排氣管內(nèi)，借助于排氣溫度和空氣中氧的濃度，對尾氣中的CO、HC和Nox同時起氧化還原作用，使其轉(zhuǎn)化成無害物質(zhì)CO2，H2O,N2。用于汽車尾氣凈化催化劑的載體通常有陶瓷、金屬蜂窩體、氧化鋁小球和金屬網(wǎng)狀骨架等。稀土可作為陶瓷載體的穩(wěn)定劑，也可作為活性組分。天然氣催化燃燒催化劑近年來己成為一個研究熱點，隨著煤和石油資源的日益枯竭，天然氣作為一種清潔能源發(fā)揮著愈來愈重要的作用。天然氣在普通燃燒時，由于操作溫度很高（有時近2000），會有大量氮氧化物（NO）形成，對環(huán)境造成污染，而且燃燒效率較低，易熄火。天然氣催化燃燒是一種無焰燃燒，將甲烷與空氣進行預(yù)混合后，均勻通過催化床層，在活性粒子的催化作用下實現(xiàn)燃燒，具有很高的燃燒效率與能量利用率。由于催化燃燒工作溫度都