稀土功能材料及应用.ppt
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主讲人：
李霞主讲人：
李霞2011.3RareEarthFunctionalMaterials课程说明课程说明专业必修课专业必修课compulsorycourse教材：
刘光华教材：
刘光华“稀土材料学稀土材料学”，化学工业出版，化学工业出版社社学时：
学时：
48学分：
学分：
3周次：
周次：
3-15结课要求：
闭卷考试结课要求：
闭卷考试examination中中东东有有石石油油中中国国有有稀稀土土美国国防部公布的美国国防部公布的35种高技术元素，其中种高技术元素，其中包括了除了包括了除了Pm以外的以外的16种稀土元素。
种稀土元素。
日本科技厅选出日本科技厅选出26种高技术元素，种高技术元素，16中稀中稀土元素被包括在内，占土元素被包括在内，占61.5%。
世界各国都在大力开展稀土应用技术研究，世界各国都在大力开展稀土应用技术研究，几乎每隔几乎每隔3-5年就有一次稀土应用的新突破，年就有一次稀土应用的新突破，从而大大推动了稀土理论和稀土材料的发从而大大推动了稀土理论和稀土材料的发展。
展。
第一章第一章稀土资源及其材料应用稀土资源及其材料应用Chapter1rareearthresourceanditsapplication1.1稀土元素概述稀土元素概述1.2稀土矿物资源稀土矿物资源1.3稀土工业概况稀土工业概况1.4稀土材料应用现状和展望稀土材料应用现状和展望1.1稀土元素概述稀土元素概述Introductionofrareearthelements1.1.11.1.1稀土元素稀土元素稀土的英文是稀土的英文是RareEarthsRareEarths，1818世纪得世纪得名，名，“稀稀”原指稀贵，原指稀贵，“土土”是指其氧化是指其氧化物难溶于水的物难溶于水的“土土”性。
其实稀土元素在性。
其实稀土元素在地壳中的含量并不稀少，性质也不象土，地壳中的含量并不稀少，性质也不象土，而是一组活泼金属，而是一组活泼金属，“稀土稀土”之称只是一之称只是一种历史的习惯。
根据国际纯粹与应用化学种历史的习惯。
根据国际纯粹与应用化学联合会联合会IUPACIUPAC推荐，把推荐，把5757至至7171的的1515个元素个元素称为镧系元素，用称为镧系元素，用LnLn表示，它们再加上钪、表示，它们再加上钪、钇钇称为稀土元素，用称为稀土元素，用RERE表示表示。
1.1.21.1.2稀土元素的分类稀土元素的分类ClassificationClassification5757LaLa5858CeCe5959PrPr6060NdNd6161PmPm6262SmSm6363EuEu6464GdGd6565TbTb6666DyDy6767HoHo6868ErEr6969TmTm7070YbYb7171LuLu镧镧铈铈镨镨钕钕钷钷钐钐铕铕钆钆铽铽镝镝钬钬铒铒铥铥镱镱镥镥轻稀土组轻稀土组重稀土组重稀土组Lightrareearthheavyrareearth铕以前的镧系元素叫做铕以前的镧系元素叫做轻稀土元素轻稀土元素或称或称铈组元铈组元素素；铕以后的镧系元素加上钪、钇叫做；铕以后的镧系元素加上钪、钇叫做重稀土元素重稀土元素或称或称钇组元素钇组元素。
镧系收缩镧系收缩Lanthanidecontraction定义定义definition：
镧系元素的离子半径随原子镧系元素的离子半径随原子序数的增大而变小，这是由于作用于每个序数的增大而变小，这是由于作用于每个4f电子有效核电荷数是随原子序数的增大而增电子有效核电荷数是随原子序数的增大而增大，引起大，引起4f壳层的半径随原子序数的增大而壳层的半径随原子序数的增大而收缩称为收缩称为镧系收缩镧系收缩。
1.1.3稀土元素基组态电子结构：
稀土元素基组态电子结构：
Electronicstructureofrareearth-basedconfiguration
（1）电子结构：
电子结构：
Sc:
Ar3d14s2Sc3+:
Ar3d04s0Y:
Kr4d15s2Y3+:
Kr4d05s0La:
Xe5d16s2La3+:
Xe5d06s0Ce:
Xe4f15d16s2Ce3+:
Xe4f1Ce4+:
Xe4f0Pr:
Xe4f36s2Pr3+:
Xe4f2Pr4+:
Xe4f1Nd:
Xe4f46s2Nd3+:
Xe4f3Pm:
Xe4f56s2Pm3+:
Xe4f4Sm:
Xe4f66s2Sm3+:
Xe4f5Sm2+:
Xe4f6Eu:
Xe4f76s2Eu3+:
Xe4f6Eu2+:
Xe4f7Gd:
Xe4f75d16s2Gd3+:
Xe4f7Tb:
Xe4f96s2Tb3+:
Xe4f8Tb4+:
Xe4f7Dy:
Xe4f106s2Dy3+:
Xe4f9Dy4+:
Xe4f8Ho:
Xe4f116s2Ho3+:
Xe4f10Er:
Xe4f126s2Er3+:
Xe4f11Tm:
Xe4f136s2Tm3+:
Xe4f12Tm2+:
Xe4f13Yb:
Xe4f146s2Yb3+:
Xe4f13Yb2+:
Xe4f14Lu:
Xe4f145d16s2Lu3+:
Xe4f141.1.4稀土元素的物理化学性质稀土元素的物理化学性质物理性质：
物理性质：
晶体结构（密排六方或面心立方）晶体结构（密排六方或面心立方）熔点（重稀土轻稀土）熔点（重稀土轻稀土）沸点（重稀土轻稀土）沸点（重稀土轻稀土）塑性（塑性（Yb，Sm最佳）最佳）硬度硬度导电性导电性顺磁性（顺磁性（La，Lu外）外）化学性质：
化学性质：
1、与氧作用、与氧作用CeO2，Pr6O11，Tb4O72、与氢作用、与氢作用（贮氢材料）（贮氢材料）稀土元素特征的材料学应用稀土元素特征的材料学应用内内层未未充充满4f电子子轨道道易与易与过渡渡金属元素金属元素形成金属形成金属间化合物化合物极易与极易与O,H,S,N作用生成相作用生成相应的的稳定化合物定化合物还原原剂，在冶金中作脱氧，在冶金中作脱氧剂和脱硫和脱硫剂熔点低，燃熔点低，燃烧放放热，制造打火石和，制造打火石和军用用发火合金材料火合金材料磁性材料是利用未成磁性材料是利用未成对的的4f电子的自旋排列子的自旋排列发光是利用光是利用4f轨道道间的能的能级跃迁迁玻璃陶瓷利用其玻璃陶瓷利用其4f电子子对光的吸收性光的吸收性质钐钴合金，合金，钕铁硼合金永磁材料硼合金永磁材料LaNi5,La2Mg15Ni2,贮氢材料材料具有相具有相似且似且异异常活常活泼的化的化学学性性质稀土元素特征的材料学应用稀土元素特征的材料学应用中子俘中子俘获截面大截面大镧系收系收缩，稀土离子性稀土离子性质不同不同变价性价性质：
Ce,Eu，Yb其氧化其氧化还原性原性质可用作脱色可用作脱色剂，防，防辐射材射材料，稀土提取分离等料，稀土提取分离等核工核工业材料材料稀土离子水解程度稀土离子水解程度采用混合稀土金属制采用混合稀土金属制备金属金属Sm1.2稀土矿物资源稀土矿物资源稀土元素在地壳中的分布很广，数量也不稀土元素在地壳中的分布很广，数量也不少，少，17中稀土元素的总量在地壳中占中稀土元素的总量在地壳中占0.0153%，即，即153g/t。
稀土元素在地壳中的分布特点：
稀土元素在地壳中的分布特点：
稀土元素在地壳中的总分布为稀土元素在地壳中的总分布为0.0153%，其丰度比一些常见元素还要多，如比锌，其丰度比一些常见元素还要多，如比锌大大3倍，比铅大倍，比铅大9倍，比金大倍，比金大3万倍。
就单万倍。
就单一元素来说，分布最多的是一元素来说，分布最多的是Ce，其次是，其次是Y，Nd，La等，多数稀土元素比锑和钨还等，多数稀土元素比锑和钨还要高。
要高。
在地壳中铈组元素的丰度比钇组元素要在地壳中铈组元素的丰度比钇组元素要大。
前者在地壳中的丰度为大。
前者在地壳中的丰度为101g/t.稀土元素的分布是不均匀的，一般原子稀土元素的分布是不均匀的，一般原子序数为偶数的元素其含量较相邻的奇数元序数为偶数的元素其含量较相邻的奇数元素的含量大。
素的含量大。
世界稀土资源概况世界稀土资源概况稀土元素在地壳中的分布十分广泛，其储稀土元素在地壳中的分布十分广泛，其储量也很大，根据美国地质局调查报告统计量也很大，根据美国地质局调查报告统计数字表明，世界稀土资源又有了新的增长，数字表明，世界稀土资源又有了新的增长，世界各国稀土资源储量、远景储量和矿产世界各国稀土资源储量、远景储量和矿产量如图：
量如图：
稀土永磁材料，磁致伸缩材料，巨磁阻材稀土永磁材料，磁致伸缩材料，巨磁阻材料，稀土磁光材料，磁制冷材料料，稀土磁光材料，磁制冷材料稀土稀土4f电子在不同能级之间跃迁电子在不同能级之间跃迁铈组轻稀土制备特种玻璃，稀土掺杂制备铈组轻稀土制备特种玻璃，稀土掺杂制备陶瓷材料陶瓷材料稀土与过渡族元素的化合物稀土与过渡族元素的化合物MMNi5及及LaNi5汽车尾气净化汽车尾气净化稀土的稀土的“工业维生素工业维生素”作用正日益体现在新型功能材料上作用正日益体现在新型功能材料上具有不同的热中子俘获界面和许多其他性能具有不同的热中子俘获界面和许多其他性能1.4稀土材料应用现状和展望稀土材料应用现状和展望Industrialvitamin传统产业：
传统产业：
冶金机械、玻璃陶瓷、石油化工、农业以及冶金机械、玻璃陶瓷、石油化工、农业以及轻工印染。
轻工印染。
90高新技术产业：
高新技术产业：
磁性材料、稀土荧光，发光材料、贮氢材料、磁性材料、稀土荧光，发光材料、贮氢材料、汽车尾气净化用催化材料、稀土功能陶瓷材料等。
汽车尾气净化用催化材料、稀土功能陶瓷材料等。
10对推动高新技术产业发展以及稀土产业本身的对推动高新技术产业发展以及稀土产业本身的发展有重大意义。
发展有重大意义。
一、传统领域中的应用一、传统领域中的应用1.冶金行业冶金行业稀土最早应用于冶金等传统领域，利用稀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、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，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。
起到变质、细化晶粒和强化基体的作用。
稀土在钢铁中最重要的应用是作为钢中的稀土在钢铁中最重要的应用是作为钢中的添加剂添加剂和铸铁的和铸铁的球化剂球化剂。
作为添加剂，加入钢中，可提高强度、抗氧化性作为添加剂，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，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。
还可用于制造打火石和各种军用发火合金等等。
添加添加0.15%0.25%稀土的铝合金导线，其导电率稀土的铝合金导线，其导电率可提高可提高13。
钢铁工业是我国使用稀土最多的领域。
钢铁工业是我国使用稀土最多的领域。
2.玻璃陶瓷玻璃陶瓷利用稀土固有的晶体结构、化学活性及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、其带色离子，将其用作玻璃澄清、抛光、脱色和陶瓷颜料等。
脱色和陶瓷颜料等。
CeS2染料现已大量开始取代含有毒重金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，市场前景非织等领域的着色、染色上，市场前景非常广阔。
常广阔。
3.石油化工石油化工在炼油业作为石油裂解的催化裂化剂。
可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提高轻质油的产率5，提高裂解装置能，提高裂解装置能力力2030%.目前世界上目前世界上90的炼油裂化装置都使用含的炼油裂化装置都使用含稀土的催化裂化剂。
稀土的催化裂化剂。
4.稀土农用稀土农用特色产业：
特
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