浅论稀土材料的应用现状及其发展前景

浅析稀土材料的应用现状及发展前景化学与材料学院 材料科学与工程姓名：黄兆剑 学号： 指导老师：童长青老师摘要：稀土资源是很多高精尖产业必不可少的资源，我国是世界上第一大稀土资源国，同时也是稀土出口第一大霪。大量的出口苇仅导致了重要资源的流失 也破坏了自然环境，更可能危及到我国今后的发展。本文献综述归纳了稀土在材料领域的应用现状及其发展前景，加以分析和论述，以便寻求新的应用领域。关键词： 稀土 稀土贸易 应用 发展前景 前言：稀土是不可再生的重要战略资源，在新能源、新材料、节能环保、航空航天、电子信息等领域的应用日益广泛。经过多年发展，我国稀土开采、冶炼分离和应用技术研发等取得了较大进步，产业规模不断扩大。稀土元素是元素周期表中B族中原子序数2l的钪(Sc)、39的钇(Y)和57的镧(La)至71的镥(Lu)等17个元素的总称“ 。稀土元素具有独特的4f电子结构、大的原子磁矩、很强的自选耦合等特性，与其他元素形成稀土配合物时，配位数可在612之间变化，并且稀土化合物的晶体结构也是多种多样的。这使其具有诸多其他元素所不具备的光、电、磁特性，被誉为新材料的“宝库”。稀土材料的应用主要包括传统材料领域和高新材料领域。一、中国稀土贸易浅谈1、中国稀土大量出口我国稀土产业在世界上拥有多个第一：资源储量第一，占70左右；产量第一，占世界稀土商品量的80 至90 ；销售量第一，60至70的稀土产品出疆到国外，而且我国的稀土矿还具有优质、易开采、相对集中、品种多样齐全的优点。改革开放的三十多年间，在中国大量出口稀土资源换取外汇的同时，美、俄以及一些是有稀土资源的欧洲国家都早已经封矿，均为从中国进口稀土。日本已经囤积中国稀土足够其国内使用三十年，掌握稀土国际定价权。据专家分析，目前国外稀土资源量超过了24526万吨，中国保有资源量不足9100万吨，只占27。不仅稀土总量大量流失，其在对外出口中存在的问题也需要引起重视。2、当前稀土行业贸易中存在的问题及分析2.1价格过低，无定价权专家指出，我国稀土产品价格长期以来一直受国夕 商家控制。2.2技术落后，浪费严重科学技术越发达的国家，稀土应用搞得越好，稀土材料功能开发搞得越好。这种正相关性存在于日本、美国、欧洲等多个国家，其稀土功能材料的开发，高端技术的应用都是走在世界的前列。而中国尽管有资源，但在高端领域掌握的技术落后于发达国家。不仅稀土的应用技术落后，稀土的开采技术也都还是十几年前的老技术，诸多落后环节的粗放开采导致了稀土开采环节的浪费。2.3走私不断，变相出口出口配额的限制以及提高关税等政策的实施，又滋生了另一个利润的空间一一走私。很多小型开采者由于无法获得出口配额通过走私牟利。2.4出口稀土，留下污染在过去lO多年里，中国企业开采稀土所付出的环境成本极为高昂。目前国内探明的离子型稀土矿共计储量有805万吨，其中三分之一以上在江西赣州。3、中国稀土出口应对策略及措施3.1培养和引进高级人才，提高稀土开采应用技术在稀土的开发应用的过程中，应大力培养和弓l进先进的技术和人才。只有我们自己拥有了稀土行业的先进技术和人才，我们才能真正的把稀土这项重要稀有的资源发挥应用的作用，而不仅仅只是把他们挖出来，然后以白菜的价格出口。3.2建立合理的价格机制，掌握国际市场定价权长期以来稀土被低估，必须建立成熟完善的价格机制，而不能单单只靠政府的管制，可以将稀土加入期货，通过期货来稳定和反应稀土的真实市场价格。3.3建立和完善稀土战略储备稀土资源中国在世界上的储量只占了30左右，但是却供应了世界上90以上的稀土出口。美国、印度、俄罗斯、澳大利亚、加拿大、南菲、马来西亚、埃及和巴西等等都有丰富的稀土资源，却没有进行开发。一方面是因为中国的稀土太便宜了，其他国家都觉得没有必要自己去开采，只要进口中国的就可以；另一方面也是因为这些国家都看到了稀土这种资源的特殊性和重要性，因此各国都禁止开采，转而建立了稀土资源的战略储备地。同样，本身不产稀土的日本，作为稀土第一使用国，也建立稀土战略储备，将稀土深埋在海底，以备不时之需。现代科技无法离开稀土资源，所以我们国家也同样应该尽快落实建立起稀土的战略储备基地，同时对已经勘探出的优质的稀土资源进行保护，不予开采。3.4建立和完善稀有资源类开采应用的法律体制我们的立法机构也应该与时俱进，针对像稀土这样的重要的稀有资源应该尽快立法以保护、合理利用这些资源。3.5建立和完善政府稀土资源管理和监督体制由于当前稀土行业乱象，又涉及弱是我们国家的重要稀有资源，所以政府应该适当加强管理稀土行业，以保证稀土行业的健康发展。同时对于稀土行业的监督也是不可或缺的、非常重要的。二.稀土在传统材料领域的应用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、硫等，净化金属液，控制硫化物及其他化合物形态，起变质、细化晶粒和强化基体等作用。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、有色金属及合金材料等。稀土加入各种铝合金或镁合金中，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的稀土可以提高电缆的抗拉强度和耐磨性而不降低其导电性；利用稀土易氧化燃烧的特性制造打火石和军用发光合金材料”。2.石油化工石油裂化工业中稀土主要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，目前世界上的石油裂化生产中90都是用稀土劣化催化剂。此外，稀土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橡胶和顺丁橡胶的生产 川，使用催化剂为去铈混合轻稀土的环烷酸盐，以错牧伏击无效果更好。稀土化合物还用于塑料热稳定剂和稀土油漆催干剂等化工领域。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脱色；加氧化铈达1时，便使玻璃呈黄色：量再多时可使玻璃呈褐色。氧化钕可以将玻璃染成鲜红色；氧化镨可使玻璃染成绿色。氧化铈还大量用于制造玻璃抛光材料。在陶瓷和瓷釉中添加稀土可以减少釉的破裂性并使其有光泽。稀土用作陶瓷颜料，研究和应用最多的是以氧化锆、氧化硅为基质的镨黄颜料以及以A1203和Si02为基质的铈钼黄及铈钨黄灯黄色颜料等 ，用稀土制成的陶瓷颜料比其他颜料的颜色更加柔和、纯正、光洁度也好。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。根据稀土元素在材料中所起的作用可分为两大类：一类是利用4f电子特征材料；另一类则是利用稀土离子半径、电荷或化学性质上的优利特性的材料 。在当代社会经济和高新技术诸多领域中，稀土新材料应用主要包括以下方面。2.1稀土磁性材料稀土元素独特的磁性能，可以制造现代工业和科学技术发展需要的各类磁性材料。稀土磁性材料包括稀土永磁材料、磁伸缩材料、稀土磁光材料、巨磁阻材料和磁制冷剂材料等。其中稀土永磁材料是稀土磁性材料研究开发和产业化的重点。与传统磁体相比，稀土永磁材料的磁能积要高出41O倍。如Yu及合作者“ 制各了铽螯合物发光的磁性纳米复合物，己应用于生物标记。作为性能优异的稀土永磁材料，尤其是汝铁硼永磁材料已广泛应用到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、与家电工业等。2.2稀土发光材料和激光材料稀土的发光和激光性能都是由于稀土的4f电子在不同能级之间的跃迁产生的。由于稀土离子具有丰富的能级和4f电子活跃的特性，为高新技术领域特别是信息通讯领域提供了性能优越的发光材料和激光材料。稀土发光材料具吸收能力强，转换率高，可发射从紫外线到红外线的光谱，在可见光区的发射能力强，物理性能稳定。Ricey等“”制备了YF，纳米粒子，Li等“ 合成了稀土离子掺杂的纳米微粒YF ，Tao等“ 制备了YF ：Eu纳米晶体，并对这些材料的发光及转换发光性能进行了研究，并且已经广泛用于计算机显示器、电视显像管、医疗设备通讯、信息储存及机械加工等方面。2.3 稀土特种玻璃和高性能陶瓷材料稀土除了在传统的玻璃陶瓷中作为着色剂、脱色剂、抛光剂及陶瓷颜料外，还可以用来制备各种玻璃和高性能陶瓷。如纳米ce0 粉体对紫外线的吸收极强，对玻璃等有较好的抛光作用，和较高的抛光精密度“ ，已用于汽车玻璃、液晶显示、硅单晶片、玻璃储存等。研究表明铈玻璃是防辐射材料，具有在核辐射下保持透明、不变暗的特点，用于军事上和电视工业。2.4 稀土储氢材料储氢材料的开发使氢作为能源实用化成为可能，在能源短缺和环境污染日益严重的今天，储氢材料的开发具有重要的意义。如稀土与过度族元素的金属间化合物lmNis(Mm为混合稀土金属)及LaNis是优良的吸氢材料“ 。稀土储氢材料最重要的用途就是用作镍氢电池的阴极材料。与传统的镍镉电池相比，其能量密度提高2倍，且无污染。镍氢电池已广泛应用于移动通讯、电脑、数码产品等电器中。2.5稀土超导材料由于稀士超导材料是一种高温超导材料，可使所需的环境温度有低温超导材料的液氮区(Tc=42K)提高到液氮区(Tc=77K)以上，不但给实用操作带来方便，而且也大大降低了成本费用。现已发现许多单一稀土氧化物及某些混合稀土化合物都是制备高温超导材料的原料。如CeO。是一种典型的稀土氧化物 ，具有特殊的光、电、磁的性质，足一种很好的超导材料，已广泛应用于发电机、发动机、动力传输、微波及传感器等方面。2.6稀土气体净化催化材料控制汽车尾气污染物含量是提高空气质量的有效途径，而稀土气体净化材料的原料易得、价格便宜、化学稳定及热稳定性好、适应性较高、寿命长，且抗铅、硫中毒等有点，研究表明，稀土化合物的纳米微粒具有较强的氧化还原性能”， 以活性炭作为载体，以纳米材料ZrO5CeO5O舴为催化活性体的汽车尾气净化催化剂，随着汽车使用量的增加，汽车尾气净化任务更加严峻，而我国稀土资源丰富，稀土汽车净化催化材料有广阔的发展前景。2.7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，使其在核工业中也得到了广泛的应用。如铕具有最佳的核性能，一些稀土氧化物、硫化物棚化物可以用作耐高辐射坩埚用于熔炼金属等，铈玻璃抗辐射性能好，已广泛应用于放射性极强的操作环境中等。三、稀土材料的发展前景分析稀土在钢、铁、有色金属、机械制造、石油化工、玻璃、陶瓷和农林牧业等传统产业方面用途广泛，用量虽小，效果显著，发挥着现代工业“维生素”的作用，产生出巨大的辐射经济效益。稀土处理钢和稀土铸铁已被广泛用于火车车辆、钢轨、汽车部件、各种机器设备、油器管道和兵器等。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。稀土石油裂化催化剂用于我国炼油业，成本不足一亿，却可使汽油等轻质油的产出效率提高约5%，每年多产出轻质油300万吨，直接经济效益达60亿元以上。我国稀土农用技术居世界领先水平，作为植物生长调节剂直接用于农业的面积已达50007000万亩年，每年增产粮棉油等68亿斤，直接效益达1015亿元。稀土高新技术应用在改造传统产业方面正发挥着越来越大的作用。由于具有特殊的光电磁性质，稀土是研制开发各种新型功能材料的“宝库”，正不断派生新的高科技产业。稀土永磁材料，特别是被称做“一代磁王”的钕铁硼永磁体，是当今磁性最强的永磁材料，它们的出现正带动机电产业发生着革命性的变革。各种高性能稀土永磁电机已被用于汽车、精密机构、计算机、工业自动化系统、航空、航天和军工技术等，使机电产品更加高性能和轻小型化。稀土镍氢电池作为“绿色能源”，不但被大量用于笔记本电脑、移动电话、摄录像机和收录机等方面，还正被开发用作未来绿色交通工具电动汽车的动力源。稀土发光材料是彩色电视和各种显示器不可缺少的发光体，也是制造三基色节能灯和金属卤化物灯等现代绿色照明光源的必需材料。稀土长余辉荧光粉具有白天吸收阳光，夜晚能自动发光的本领，用做铁路公路标志、街道和建筑物标牌等夜间显示，既方便节能，又有装饰美化效果。钇铽铁等稀土磁光存储材料的光记录密度比一般磁盘大10倍以上，具有容量大及存取速度快等优点，用于高存储密度光盘，可擦涂100万次，是电子信息存储技术的重要材料。目前大约90%的激光材料都涉及稀土，在国际上已商品化的45种激光材料中，稀土激光材料就占30多种，已被广泛用于光通讯、精密加工、医疗和军事技术等领域。此外，还有稀土超磁致伸缩材料，稀土磁制冷材料，稀土高温超导、稀土功能陶瓷材料、稀土复合肥和稀土药物等，都不断有新的科技成果出现并逐步得以产业化。国家“863”计划中的许多项目都与稀土有关，稀土高新技术领域中的应用方兴未艾，具有非常广阔的发展前景。我国对稀土产业发展历来十分重视。邓小平同志1992年讲过：“中东有石油，中国有稀土。”“一定要把稀土的事情办好，把我国稀土优势发挥出来”。1999年初，江泽民总书记在视察内蒙古自治区时也作了“搞好稀土开发应用，把资源优势转化为经济优势”等一系列重要指示。我国几乎没有哪个产业像稀土产业这样拥有如此得天独厚的资源优势和产业优势，拥有如此惊人的发展速度，也很少有哪个产业能像稀土产业这样得到党和国家几代领导人的高度重视和关注，其在世界上的战略地位会得到如此高的评价。四、结束语与发达国家相比，我国稀土应用技术，特别是在高科技领域中的应用尚有较大差距，国内稀土应用市场还有相当大的开发潜力。稀土材料的种类繁多，用途极广，随着研究开发的进一步深入，新的稀土材料将会不断出现。虽然我国稀土储量、产量、应用和出口