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稀土材料概述

稀土材料概述

李利叶方明覃武飞杨明江焕彬徐彬贺吴军

（广西大学材料科学与工程学院中国南宁530004）

OverviewofRareEarthMaterials

Lili,FangmingYe,WufeiQinMingYang,HuanbinJiang,BinheXu,JunWu

（CollegeofMaterialScienceandEngineering,GuangxiUniversity,Nanning530004,China）

摘要：

稀土材料作为我国的战略性新兴产业之一，以稀土功能材料为代表的新材料行业成为备受市场瞩目的蓝海。

在节能环保、新能源、新能源汽车三大领域，稀土材料有着无可比拟的优势作用，稀土永磁、致冷、激光、储氢、磁光材料等等，将成为未来新材料领域的明星。

关键词：

稀土材料、制取、应用

Abstract:

RareearthmaterialsasoneofChina'sstrategicandemergingindustries,representedbyrare-earthfunctionalmaterialsandnewmaterialsindustriesasmuchmarketattentionblueocean.Inenergysaving,newenergy,newenergyvehiclesthreeareas,rareearthmaterialshaveanunparalleledadvantageintheroleofrareearthpermanentmagnet,cooling,laser,hydrogenstorage,magneto-opticalmaterials,etc.,willbecomethefuturestarsofnewmaterials.Keywords:

rareearthmaterials,preparation,application

目录

第一章绪论1

1.1稀土元素1

1.2稀土材料1

1.3稀土分布1

第二章稀土的发现和发展1

第三章稀土的提取2

3.1稀土的提取2

3.2分离和提纯2

第四章稀土的应用2

4.1稀土在传统材料领域的应用2

4.1.1冶金机械2

4.1.2石油化工3

4.1.3玻璃陶瓷3

4.2稀土在新材料领域的应用3

4.2.1稀土永磁材料4

4.2.2稀土超磁致伸缩材料4

4.2.2稀土超磁致伸缩材料5

4.2.3稀土超导材料5

4.2.4稀土磁光材料5

4.2.5稀土致冷材料7

4.2.6稀土激光材料8

4.2.7稀土储氢材料8

第五章我国稀土材料展望····················································9

参考文献·····································································9

第一章绪论

1.1稀土元素

稀土就是化学元素周期表中镧系元素—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），以及与镧系的15个元素密切相关的两个元素—钪（Sc）和钇（Y）共17种元素，称为稀土元素。

简称稀土，常用符号“RE”表示。

稀土元素又称稀土金属。

稀土金属已广泛应用于电子、石油化工、冶金、机械、能源、轻工、环境保护、农业等领域

1.2稀土的分类

除钪以外的16个稀土元素，根据它们的电子层结构以及由此反应的物理、化学性质上的某些差别，可以分成两组，镧、铈、镨、钕、钷、钐（、铕称为铈组稀土；钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥和钇称为钇组稀土。

铈组稀土和钇组稀土习惯上也分别称为轻稀土和重稀土。

根据稀土的分离工艺，又可将稀土元素分为三组：

铈组稀土、铽组元素和钇组元素；或分别称为轻稀土、中稀土、重稀土。

1.3稀土的分布

稀土元素在地壳中分布很广，数量也不少，17种稀土元素的总量在地壳中占0.0153％（质量分数），即153g/t。

主要集中在中国、美国、印度、前苏联、南非、澳大利亚、加拿大、埃及等几个国家。

中国是世界稀土资源储量最大的国家，主要稀土矿有白云鄂博稀土矿、山东微山稀土矿、冕宁稀土矿等等。

稀土元素不仅存在地壳中，而且在海水、月球表面也有发现，但含量很少。

第二章稀土的发现和发展

稀土元素的发现，最早是1794年，在Abo大学工作的芬兰著名化学家多家林从硅铍钇矿中发现“钇土”即氧化钇开始的。

由于各种稀土元素性质极其相似，产地又同在极其复杂的矿中，紧密共生，使得分离工作异常困难。

从1794年发现钇土开始，一直到1974年马林斯基、络伦迪宁等人用人工方法从核反应堆中的铀的裂变产物中提取稀土的最后一个元素钷为止，从自然界中取得全部稀土元素跨越了3个世纪，共经历150多年。

第三章稀土的制取

稀土的制取主要是从精矿中提取，稀土的分离和提纯。

3.1稀土的提取

提取是从精矿中获得稀土的第一步。

在提取也就是分离精矿的时候，各种矿物均发生不同程度的化学变化，通常稀土被转变成易溶于水或酸的化合物。

分解产物经净化、浓缩或分离等工序后就制成了各种稀土产品。

提取的方法主要有干法（火法）和湿法（水法）两大类，其中湿法提取或湿法冶金已成为当前获取稀土产品的最实用的方法。

湿法冶金分解精矿的方法又分为酸法分解和碱法分解两大类。

3.2分离和提纯

分离是制取的第二步，提纯是第三步。

一般来说，分离的目的是使十几位姊妹元素从稀土大家庭中独立出来，彼此分居；而提纯的目的则建立在与其他稀土元素分离的基础上，深入一步彻底去掉伴生的非稀土元素和残存的其他稀土元素得到某一稀土的纯品。

因此分离和提纯只有程度上的不同而无方法上的原则区别。

目前工业上采用的分离方法主要是离子交换法和溶剂萃取法。

第四章稀土的应用

稀土元素在材料中的应用可以是稀土金属、合金或化合物的形式。

在不少的情况下，则是通过添加稀土来改善材料的性能以扩大其应用范围。

稀土材料的应用主要包括传统材料领域和高技术新材料领域两个方面。

4.1稀土在传统材料领域的应用

4.1.1冶金机械

由于稀土金属的高活泼性，能脱去金属液中的氧、硫及其他有害杂质，起净化金属液的作用；控制硫化物及其他化合物形态，起变质、细化晶粒和强化等作用。

因此，可利用混合稀土金属、稀土硅化物及稀土有色金属中间化合物等来炼制优质钢、延性铁和有色金属及合金材料等。

稀土钢和稀土铸铁已被广泛用于火车、钢轨、汽车部件、各种仪器设备、油气管道和兵器等。

稀土加入各种铝合金或镁合金中，可提高其高温强度，用以制造轮船引擎上的叶轮、飞机及汽车发动机和导弹上的部件。

在铝-锆合金加入适当稀土用作电缆，可以提高电缆的抗拉强度和耐磨性，而不降低其导电性。

具有我国技术特色的稀土铝电线电缆已被大量用于高压电力输送系统。

利用稀土金属易氧化燃烧的特性，稀土金属还被利用作制造打火石和军用发光合金材料。

4.1.2石油化工

石油裂化工业中使用稀土主要是用于制造稀土分子筛裂化催化剂。

稀土分子筛催化剂的活性高、选择性好、汽油的产率高，因而在国外很受重视，目前世界上的石油裂化生产中90％都是用稀土裂化催化剂。

稀土裂化催化剂一般是用混合氯化稀土和钠型Y-型分子筛进行交换制得。

对混合稀土的要求不高，其中各单一稀土量不一定要有严格的比例，因此可以用提取某一单一稀土的剩余物来制备稀土分子筛裂化催化剂，为稀土资源的综合利用提供有利条件。

稀土还在很多化工反应中作催化剂。

如稀土催化剂已成为成功地用于合成异戊橡胶和顺丁橡胶的生产。

4.1.3玻璃陶瓷

某些稀土氧化物很早就用来使玻璃脱色和着色。

例如，少量的氧化铈可使玻璃无色；加氧化铈达1％时，便使玻璃呈黄色。

在陶瓷和瓷釉中添加稀土可以减少釉的破裂性并使其具有光泽。

用稀土制成的陶瓷颜料比其他颜料的颜色更柔和、纯正、色调也新颖，光洁度亦很好。

4.2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大概分为两大类：

一类是利用4f电子特征的材料；另一类则是与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征的材料。

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，并且派生了许多高科技产业。

这些稀土材料主要包括稀土永磁材料、稀土超磁致伸缩材料、稀土超导材料、稀土磁光材料、稀土磁致冷材料、稀土激光材料、稀土储氢材料。

4.2.1稀土永磁材料

　　稀土永磁材料是将钐、钕混合稀土金属与过渡金属（如钴、铁等）组成的合金，用粉末冶金方法压型烧结，经磁场充磁后制得的一种磁性材料。

稀土永磁分钐钴（SmCo）永磁体和钕铁硼（NdFeB）系永磁体，其中SmCo磁体的磁能积在15～30MGOe之间，NdFeB系永磁体的磁能积在27～50MGOe之间，被称为“永磁王”，是目前磁性最高的永磁材料。

钐钴永磁体，尽管其磁性能优异，但含有储量稀少的稀土金属钐和稀缺、昂贵的战略金属钴，因此，它的发展受到了很大限制。

我国稀土永磁行业的发展始于上世纪60年代末，当时的主导产品是钐-钴永磁，目前钐-钴永磁体世界销售量为630吨，我国为90.5吨（包括SmCo磁粉），主要用于军工技术。

随着计算机、通讯等产业的发展，稀土永磁特别是NdFeB永磁产业得到了飞速发展。

现在稀土永磁材料已成为电子技术通讯中的重要材料，

用在人造卫星，雷达等方面的行波管、环行器中以及微型电机、微型录音机、航空仪器、电子手表、地震仪和其它一些电子仪器上。

目前稀土永磁应用已渗透到汽车、家用电器、电子仪表、核磁共振成像仪、音响设备、微特电机、移动电话等方面。

在医疗方面，运用稀土永磁材料进行“磁穴疗法”，使得疗效大为提高，从而促进了“磁穴疗法”的迅速推广。

在应用稀土的各个领域中，稀土永磁材料是发展速度最快的一个。

它不仅给稀土产业的发展带来巨大的推动力，也对许多相关产业产生相当深远的影响。

4.2.2稀土超磁致伸缩材料

　　磁性材料由于磁场的变化，其长度和体积都要发生微小的变化，这种现象称为磁致伸缩。

其中长度的变化称为线性磁致伸缩，体积的变化称为体积磁致伸缩。

长期以来，作为磁致伸缩材料的主要是镍、铁等金属或合金，由于磁致伸缩值较小，功率密度不高，故应用面较窄。

主要用于声纳、超声波发射等方面。

稀土超磁致伸缩材料是国外八十年代末新开发的新型功能材料。

主要是指稀土-铁系金属间化合物。

这类材料具有比铁、镍等大得多的磁致伸缩值，其磁致伸缩系数比一般磁致伸缩材料高约102～103倍，因此被称为大或超磁致伸缩材料。

并且机械响应快、功率密度高，在所有商品材料中，稀土超磁致伸缩材料是在物理作用下应变值最高、能量最大的材料。

特别是铽镝铁磁致伸缩合金（Terfenol-D）的研制成功，更是开辟了磁致伸缩材料的新时代.铽镝铁开始主要用于声纳，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、太空望远镜的调节机构和飞机机翼调节器等领域。

它具有比传统的磁致伸缩材料和压电陶瓷高几十倍的伸缩性能。

所以可广泛用于声纳系统、大功率超大型超声器件、精密控制系统、各种阀门、驱动器等，是一种具有广阔发展前景的稀土功能材料。

这种材料的发展使电-机械转换技术获得突破性进展。

对尖端技术、军事技术的发展及传统产业的现代化产生了重要作用。

稀土磁伸材料主要用于制作大功率声纳，后者广泛应用于水下通讯、制导、捕鱼、油井及地质探测等。

其它应用包括阀门控制、精密车床、机器人、蠕动马达、阻尼减振、延迟器及传感器等。

稀土磁致伸缩材料的开发与应用，日益受到人们的关注，产量及市场消费量增长非常迅速。

4.2.3稀土超导材料

　　当某种材料在低于某一温度时，出现电阻为零的现象即超导现象，该温度即是临界温度（Tc）。

在超导材料中添加稀土可以使临界温度Tc大大提高，一般可达70～90K，从而使超导材料在价廉易得的液氮中使用，这就大大地推动了超导材料的研制和应用的发展。

超导现象是1911年由一位荷兰物理学家首先发现的，当水银温度降低到43K时，水银便失去了电阻。

随后超导体的研究开发一直在进行，到1973年，科学家们制得一种铌锗合金，其临界温度是23.3K。

1986年发现一些新的超导体，超导研究也因此取得了突破性进展，当时发现一种镧钡铜氧陶瓷，其临界温度为35K。

1987年2月又发现YBa2Cu3O7-x高温超导体的临界温度达90K以上，大大超过了氮的沸点（77K）。

新型稀土高温材料可以在液氮温度下工作。

4.2.4稀土磁光材料

　　在磁场或磁矩作用下，物质的电磁特性（如磁导率、介电常数、磁化强度、磁畴结构、磁化方向等）会发生变化。

因而使通向该物质的光的传输特性也随之发生变化。

光通向磁场或磁矩作用下的物质时，其传输特性的变化称为磁光效应。

　　磁光材料是指在紫外到红外波段，具有磁光效应的光信息功能材料。

利用这类材料的磁光特性以及光、电、磁的相互作用和转换，可制成具有各种功能的光学器件，如光调制器、光隔离器、环行器、开关、偏转器、光信息处理机、显示器、存贮器、激光陀螺偏频磁镜、磁强计、磁光传感器、印刷机等。

　　稀土元素由于4f电子层未填满，因而产生：

未抵消的磁矩，这是强磁性的来源，由于4f电子的跃迁，这是光激发的起因，从而导致强的磁光效应。

单纯的稀土金属并不显现磁光效应，这是由于稀土金属至今尚未制备成光学材料。

只有当稀土元素掺入光学玻璃、化合物晶体、合金薄膜等光学材料之中，才会显现稀土元素的强磁光效应。

　　磁光器件是指用具有磁光效应的材料制作的各类光信息功能器件。

虽然1845年法拉弟就发现了磁光效应，但在其后一百多年中，并未获得应用。

直到上世纪60年代初，由于激光和光电子技术的开发，才使得磁光效应的研究向应用领域发展，出现了新型的光信号功能器件—磁光器件。

在激光应用中，除探索各种新型的激光器和接收器外，激光束的参数，例如强度、方向、偏转、频率、偏振状态等的快速控制也是很重要的问题，磁光器件，就是利用磁光效应构成的各种控制激光束的器件，类似微波铁氧体器件的发展和分类那样，因光通讯的需要，1966年发展了磁光调制器、磁光开关、磁光隔离器、磁光环行器、磁光旋转器、磁光相移器等磁光器件。

由于光纤技术和集成光学的发展，1972年起又诞生了波导型的集成磁光器件。

在60年代后期，因计算机存贮技术的发展，开发了磁光存贮技术。

后来由于全息磁泡和光盘技术的日趋完善和商品化，从而出现了磁光印刷和磁光光盘系统。

利用磁光效应研究圆柱状磁畴（磁泡）而发展了磁泡技术。

因信息技术的需要，在70年代中后期，在磁泡技术的基础上，又发展了磁光信息处理机及磁泡显示器。

激光陀螺仪的发展中遇到了“闭锁”问题，一度受挫，后来利用磁光效应，巧妙地克服了“闭锁”，从而发展了一个全固态（无机械部件）的磁光偏频激光陀螺。

因此，每一种新型的磁光器件，都是在研究磁光效应的基础上开发成功的。

4.2.5稀土磁致冷材料

　　本世纪二十年代末，科学家发现了磁性物质在磁场作用下温度升高的现象，即磁热效应。

随后许多科学家和工程师对具有磁热效应的材料、磁致冷技术及装置进行了大量的研究开发工作。

到目前为止，20K以下的低温磁致冷装置在某些领域已实用化，而室温磁致冷技术还在继续研究攻关，目前尚未达到实用化的程度。

　　磁致冷材料是用于磁致冷系统的具有磁热效应的物质。

磁致冷首先是给磁体加磁场，使磁矩按磁场方向整齐排列，然后再撤去磁场，使磁矩的方向变得杂乱，这时磁体从周围吸收热量，通过热交换使周围环境的温度降低，达到致冷的目的。

磁致冷材料是指用于磁致冷系统的具有磁热效应的一类材料，磁致冷材料是磁致冷机的核心部分，即一般称谓的制冷剂或制冷工质。

　　低温超导技术的广泛应用，迫切需要液氦冷却低温超导磁体，但液氦价格昂贵，因而希望有能把液氦气化的氦气再液化的小型高效率制冷机。

如果把以往的气体压缩—膨胀式制冷机小型化，必须把压缩机变小，这样将使制冷效率大大降低。

因此，为了满足液化氦气的需要，人们加速研制低温（4～20K）磁致冷材料和装置，经过多年的努力，目前低温磁致冷技术已达到实用化。

低温磁致冷所使用的磁致冷材料主要是稀土石榴石Gd3Ga5O12（GGG）和Dy3Al5O12（DAG）单晶。

使用GGG或DAG等材料做成的低温磁致冷机属于卡诺磁致冷循环型，起始致冷温度分别为16K和20K。

　　低温磁致冷装置具有小型化和高效率等独特优点，广泛应用于低温物理、磁共振成像仪、粒子加速器、空间技术、远红外探测及微波接收等领域，某些特殊用途的电子系统在低温环境下，其可靠性和灵敏度能够显著提高。

　　磁致冷是使用无害、无环境污染的稀土材料作为制冷工质，若取代目前使用氟里昂制冷剂的冷冻机、电冰箱、冰柜及空调器等，可以消除由于生产和使用氟里昂类制冷剂所造成的环境污染和大气臭氧层的破坏，因而能保护人类的生存环境，具有显著的环境和社会效益。

　　磁致冷所用的制冷材料基本都是以稀土金属为主要组元的合金或化合物，尤其是室温磁致冷几乎全是采用稀土金属Gd或Gd基合金。

　　目前，磁致冷材料、技术和装置的研究开发，美国和日本居领先水平，这些发达国家都把磁致冷技术研究开发列为21世纪的重点攻关项目，投入了大量资金、人力和物力，竞争极为激烈，都想抢先占领这一高新技术领域。

4.2.6稀土激光材料

　　激光是一种新型光源，它具有很好的单色性、方向性和相干性，并且可以达到很高的亮度。

与激光技术相应发展起来的各种晶体，如非线性晶体，能对激光束进行调频、调幅、调偏及调相作用；能修正传输过程中激光图像的畸变；热电探测晶体能灵敏地探测到红外光等。

这些特性使激光很快就应用到工、农、医和国防部门。

稀土激光材料可分为：

固体、液体和气体三大类。

但后两大类由于其性能、种类和用途等远不如固体材料。

所以一般说稀土激光材料通常是指固体激光材料。

固体材料分为晶体、玻璃和光纤激光材料，而激光晶体又占主导地位。

稀土材料是激光系统的心脏，是激光技术的基础，由激光而发展起来的光电子技术，不仅广泛用于军事，而且在国民经济许多领域，如光通讯、医疗、材料加工（切割、焊接、打孔、热处理等）、信息储存、科研、检测和防伪等方面获得广泛应用，形成新产业。

在军事上，稀土激光材料广泛应用于激光测距、制导、跟踪、雷达、激光武器和光电子对抗、遥测、精密定位及光通讯等方面。

提高和改变各军种和兵种的作战能力和方式，在战术进攻和防御中起重大作用。

高功率激光材料可装备激光致盲武器，以及光电对抗等武器。

光发射二极管（LED）泵浦的激光晶体制成的激光器输出光束质量好，非线性移频效率高，可把毫瓦级的激光移频到蓝光、绿光和红光区，用于光存贮、显示、遥感、雷达和科研等。

4.2.7稀土储氢材料

　　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。

其应用领域已扩大到能源、化工、电子、宇航、军事及民用各个方面。

用于化学蓄热和化学热泵的稀土贮氢合金可以将工厂的废热等低质热能回收、升温，从而开辟出了人类有效利用各种能源的新途径。

利用稀土贮氢材料释放氢气时产生的压力，可以用作热驱动的动力，采用稀土贮氢合金可以实现体积小、重量轻、输出功率大，可用于制动器升降装置和温度传感器。

　　石油和煤炭是人类两大主要能源燃料，但由于它们储量有限，使用过程中产生环境污染等问题，因此解决能源短缺和环境污染成为当今研究的重点之一。

氢是一种完全无污染的理想能源材料，具有单位质量热量高于汽油两倍以上的高能量密度，可从水中提取。

氢能源开发应用的关键在于能否经济地生产和高密度安全制取和贮运氢。

　　典型的贮氢合金LaNi5是1969年荷兰菲利浦公司发现的，从而引发了人们对稀土系储氢材料的研究。

第五章我国稀土材料展望

我国有丰富的稀土资源，约占世界已探明储量的80％以上，邓小平同志1992年南巡讲话时指出：

“中东有石油，中国有稀土，一定要把稀土的事情办好。

”江泽民总书记在1999年1月视察内蒙古时多次强调，对稀土问题提高到战略高度上来认识，把稀土高科技昨晚一个重大课题切实抓好，变资源优势为经济优势。

在最近出台《新材料产业“十二五”发展规划》，包括新能源材料、功能膜材料、稀土功能材料等将会在“十二五”期间得到国家政策的大力扶持。

稀土材料在我国国民经济发展中发挥着越来越重要的作用，我们必须要把我们国家的稀土材料技术发展好，加强稀土新材料的研究和开发。

参考文献：

[1]刘光华．稀土材料学[M]．北京：

化学工业出版社，2007.10

[2]杨遇春．稀土漫谈[M]．北京：

化学工业出版社，1999.3

[3]李恒德，师昌绪．中国材料发展现状及迈进新世纪对策．济南：

山东科学技术出版社，2002

[4]曾汉民，高技术新材料要览[M]．北京：

中国科学技术出版社，1987

[5]徐光宪，稀土[M]．北京：

冶金工业出版社，1995