一文讀懂17種稀土的不同用途

本文來自直觀學(xué)機(jī)械。

摘要：幾乎每隔3-5年，科學(xué)家們就能夠發(fā)現(xiàn)稀土的新用途，每六項(xiàng)發(fā)明中，就有一項(xiàng)離不開稀土。

一個(gè)常用的比喻是，如果說石油是工業(yè)的血液，那稀土就是工業(yè)的維生素。

稀土是一組金屬的簡稱，稀土元素（Rare Earth Elements，REE）從18世紀(jì)末葉開始陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)，共有17種，包括化學(xué)元素周期表中的15種鑭系元素——鑭（La）、鈰（Ce）、鐠（Pr）、釹（Nd）、钷（Pm）、釤（Sm）、銪（Eu）、釓（Gd）、鋱（Tb）、鏑（Dy）、鈥（Ho）、鉺（Er）、銩（Tm）、鐿（Yb）、镥（Lu），以及與鑭系元素密切相關(guān)的兩個(gè)元素鈧（Sc）和釔（Y），目前已被廣泛應(yīng)用于電子、石化、冶金等眾多領(lǐng)域。幾乎每隔3-5年，科學(xué)家們就能夠發(fā)現(xiàn)稀土的新用途，每六項(xiàng)發(fā)明中，就有一項(xiàng)離不開稀土。

中國稀土礦藏豐富，雄踞著三個(gè)世界第一：資源儲量第一，占23%左右； 產(chǎn)量第一，占世界稀土商品量的80%至90%；銷售量第一，60%至70%的稀土產(chǎn)品出口到國外。同時(shí)，中國還是唯一一個(gè)能夠提供全部17種稀土金屬的國家，特別是軍事用途極其突出的中重稀土，中國占有的份額讓人艷羨。

稀土是寶貴的戰(zhàn)略資源，有“工業(yè)味精”“新材料之母”之稱，廣泛應(yīng)用于尖端科技領(lǐng)域和軍工領(lǐng)域。據(jù)工業(yè)和信息化部介紹，目前稀土永磁、發(fā)光、儲氫、催化等功能材料已是先進(jìn)裝備制造業(yè)、新能源、新興產(chǎn)業(yè)等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)不可缺少的原材料，還廣泛應(yīng)用于電子、石油化工、治金、機(jī)械、新能源、輕工、環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)等。。

早在1983年，日本就出臺了稀有礦產(chǎn)戰(zhàn)略儲備制度，其國內(nèi)83%的稀土來自中國。

再看美國，它的稀土儲量僅次于中國，但是他的稀土都是輕稀土，稀土分為重稀土和輕稀土，重稀土是很貴重的，輕稀土開采起來很不合算，被業(yè)內(nèi)人士成為假稀土，美國稀土進(jìn)口量的80%來自中國。

鄧小平同志曾說：“中東有石油，中國有稀土?！逼湓捳Z的弦外之音不言而喻。稀土不但是世界上1/5高科技產(chǎn)品必備的“味精”，更是未來中國在世界談判桌上的一張強(qiáng)有力的底牌籌碼。保護(hù)并科學(xué)利用好稀土資源，不讓寶貴的稀土資源盲目賤賣出口西方國家，成為近年來諸多仁人志士呼吁的一項(xiàng)國家戰(zhàn)略。鄧小平在1992年就一語道明了中國稀土大國的地位。

17種稀土用途一覽

1 鑭用于合金材料和農(nóng)用薄膜

2 鈰大量應(yīng)用于汽車玻璃

3 鐠廣泛應(yīng)用于陶瓷顏料

4 釹廣泛用于航空航天材料

5 钷為衛(wèi)星提供輔助能量

6 釤應(yīng)用于原子能反應(yīng)堆

7 銪制造鏡片和液晶顯示屏

8 釓用于醫(yī)療核磁共振成像

9 鋱用于飛機(jī)機(jī)翼調(diào)節(jié)器

10 鉺軍事上用于激光測距儀

11 鏑用于電影、印刷等照明光源

12 鈥用于制作光通訊器件

13 銩用于臨床診斷和治療腫瘤

14 鐿電腦記憶元件添加劑

15 镥用于能源電池技術(shù)

16 釔制造電線和飛機(jī)受力構(gòu)件

17 鈧常用于制造合金

詳細(xì)情況如下：

1、鑭（La）

在海灣戰(zhàn)爭中，加入稀土元素鑭的夜視儀成為美軍坦克壓倒性優(yōu)勢的來源。上圖為氯化鑭粉末。（資料圖）

鑭的應(yīng)用非常廣泛，如應(yīng)用于壓電材料、電熱材料、熱電材料、磁阻材料、發(fā)光材料(蘭粉)、貯氫材料、光學(xué)玻璃、激光材料、各種合金材料等。鑭也應(yīng)用到制備許多有機(jī)化工產(chǎn)品的催化劑中，光轉(zhuǎn)換農(nóng)用薄膜也用到鑭，在國外，科學(xué)家把鑭對作物的作用賦與“超級鈣”的美稱。

2、鈰（Ce）

鈰可作催化劑、電弧電極、特種玻璃等。鈰的合金耐高熱，可以用來制造噴氣推進(jìn)器零件。（資料圖）

(1)鈰作為玻璃添加劑，能吸收紫外線與紅外線，現(xiàn)已被大量應(yīng)用于汽車玻璃。不僅能防紫外線，還可降低車內(nèi)溫度，從而節(jié)約空調(diào)用電。從1997年起，日本汽車玻璃全加入氧化鈰，1996年用于汽車玻璃的氧化鈰至少有2000噸，美國約1000多噸。

(2)目前正將鈰應(yīng)用到汽車尾氣凈化催化劑中，可有效防止大量汽車廢氣排到空氣中美國在這方面的消費(fèi)量占稀土總消費(fèi)量的三分之一。

(3)硫化鈰可以取代鉛、鎘等對環(huán)境和人類有害的金屬應(yīng)用到顏料中，可對塑料著色，也可用于涂料、油墨和紙張等行業(yè)。目前領(lǐng)先的是法國羅納普朗克公司。

(4)Ce：LiSAF激光系統(tǒng)是美國研制出來的固體激光器，通過監(jiān)測色氨酸濃度可用于探查生物武器，還可用于醫(yī)學(xué)。鈰應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，幾乎所有的稀土應(yīng)用領(lǐng)域中都含有鈰。如拋光粉、儲氫材料、熱電材料、鈰鎢電極、陶瓷電容器、壓電陶瓷、鈰碳化硅磨料、燃料電池原料、汽油催化劑、某些永磁材料、各種合金鋼及有色金屬等。

3、鐠（Pr）

鐠釹合金（資料圖）

(1)鐠被廣泛應(yīng)用于建筑陶瓷和日用陶瓷中，其與陶瓷釉混合制成色釉，也可單獨(dú)作釉下顏料，制成的顏料呈淡黃色，色調(diào)純正、淡雅。

(2)用于制造永磁體。選用廉價(jià)的鐠釹金屬代替純釹金屬制造永磁材料，其抗氧性能和機(jī)械性能明顯提高，可加工成各種形狀的磁體。廣泛應(yīng)用于各類電子器件和馬達(dá)上。

(3)用于石油催化裂化。以鐠釹富集物的形式加入Y型沸石分子篩中制備石油裂化催化劑，可提高催化劑的活性、選擇性和穩(wěn)定性。我國70年代開始投入工業(yè)使用，用量不斷增大。

(4)鐠還可用于磨料拋光。另外，鐠在光纖領(lǐng)域的用途也越來越廣。

4、釹（Nd）

為什么M1坦克能做到先敵發(fā)現(xiàn)？因?yàn)樵撎箍搜b備的摻釹釔鋁石榴石的激光測距機(jī)，在晴朗的白天可以達(dá)到近4000米的觀瞄距離。（資料圖）

伴隨著鐠元素的誕生，釹元素也應(yīng)運(yùn)而生，釹元素的到來活躍了稀土領(lǐng)域，在稀土領(lǐng)域中扮演著重要角色，并且左右著稀土市場。

釹元素憑借其在稀土領(lǐng)域中的獨(dú)特地位，多年來成為市場關(guān)注的熱點(diǎn)。金屬釹的最大用戶是釹鐵硼永磁材料。釹鐵硼永磁體的問世，為稀土高科技領(lǐng)域注入了新的生機(jī)與活力。釹鐵硼磁體磁能積高，被稱作當(dāng)代“永磁之王”，以其優(yōu)異的性能廣泛用于電子、機(jī)械等行業(yè)。阿爾法磁譜儀的研制成功，標(biāo)志著我國釹鐵硼磁體的各項(xiàng)磁性能已跨入世界一流水平。釹還應(yīng)用于有色金屬材料。在鎂或鋁合金中添加1.5～2.5%釹，可提高合金的高溫性能、氣密性和耐腐蝕性，廣泛用作航空航天材料。另外，摻釹的釔鋁石榴石產(chǎn)生短波激光束，在工業(yè)上廣泛用于厚度在10mm以下薄型材料的焊接和切削。在醫(yī)療上，摻釹釔鋁石榴石激光器代替手術(shù)刀用于摘除手術(shù)或消毒創(chuàng)傷口。釹也用于玻璃和陶瓷材料的著色以及橡膠制品的添加劑?！?/p>

5、钷（Pm）

钷為核反應(yīng)堆生產(chǎn)的人造放射性元素（資料圖）

(1)可作熱源。為真空探測和人造衛(wèi)星提供輔助能量。

(2)Pm147放出能量低的β射線，用于制造钷電池。作為導(dǎo)彈制導(dǎo)儀器及鐘表的電源。此種電池體積小，能連續(xù)使用數(shù)年之久。此外，钷還用于便攜式X-射線儀、制備熒光粉、度量厚度以及航標(biāo)燈中。

6、釤(Sm)

金屬釤（資料圖）

釤呈淺黃色，是做釤鈷系永磁體的原料，釤鈷磁體是最早得到工業(yè)應(yīng)用的稀土磁體。這種永磁體有SmCo5系和Sm2Co17系兩類。70年代前期發(fā)明了SmCo5系，后期發(fā)明了Sm2Co17系。現(xiàn)在是以后者的需求為主。釤鈷磁體所用的氧化釤的純度不需太高，從成本方面考慮，主要使用95%左右的產(chǎn)品。此外，氧化釤還用于陶瓷電容器和催化劑方面。另外，釤還具有核性質(zhì)，可用作原子能反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)材料，屏敝材料和控制材料，使核裂變產(chǎn)生巨大的能量得以安全利用。

7、銪（Eu）

氧化銪粉末（資料圖）

氧化銪大部分用于熒光粉（資料圖）

1901年，德馬凱(Eugene-AntoleDemarcay)從“釤”中發(fā)現(xiàn)了新元素，取名為銪(Europium) 。這大概是根據(jù)歐洲(Europe)一詞命名的。氧化銪大部分用于熒光粉。Eu3+用于紅色熒光粉的激活劑，Eu2+用于藍(lán)色熒光粉?，F(xiàn)在Y2O2S：Eu3+是發(fā)光效率、涂敷穩(wěn)定性、回收成本等最好的熒光粉。再加上對提高發(fā)光效率和對比度等技術(shù)的改進(jìn)，故正在被廣泛應(yīng)用。近年氧化銪還用于新型X射線醫(yī)療診斷系統(tǒng)的受激發(fā)射熒光粉。氧化銪還可用于制造有色鏡片和光學(xué)濾光片，用于磁泡貯存器件，在原子反應(yīng)堆的控制材料、屏敝材料和結(jié)構(gòu)材料中也能一展身手。

8、釓(Gd)

釓及其同位素都是最有效的中子吸收劑，可用于核反應(yīng)堆的抑制劑。（資料圖）

(1)其水溶性順磁絡(luò)合物在醫(yī)療上可提高人體的核磁共振(NMR)成像信號。

(2)其硫氧化物可用作特殊亮度的示波管和x射線熒光屏的基質(zhì)柵網(wǎng)。

(3)在釓鎵石榴石中的釓對于磁泡記憶存儲器是理想的單基片。

(4)在無Camot循環(huán)限制時(shí)，可用作固態(tài)磁致冷介質(zhì)。

(5)用作控制核電站的連鎖反應(yīng)級別的抑制劑，以保證核反應(yīng)的安全。

(6)用作釤鈷磁體的添加劑，以保證性能不隨溫度而變化。

9、鋱（Tb）

氧化鋱粉末（資料圖）

鋱的應(yīng)用大多涉及高技術(shù)領(lǐng)域，是技術(shù)密集、知識密集型的尖端項(xiàng)目，又是具有顯著經(jīng)濟(jì)效益的項(xiàng)目，有著誘人的發(fā)展前景。

(1)熒光粉用于三基色熒光粉中的綠粉的激活劑，如鋱激活的磷酸鹽基質(zhì)、鋱激活的硅酸鹽基質(zhì)、鋱激活的鈰鎂鋁酸鹽基質(zhì)，在激發(fā)狀態(tài)下均發(fā)出綠色光。

(2)磁光貯存材料，近年來鋱系磁光材料已達(dá)到大量生產(chǎn)的規(guī)模，用Tb-Fe非晶態(tài)薄膜研制的磁光光盤，作計(jì)算機(jī)存儲元件，存儲能力提高10～15倍。

(3)磁光玻璃，含鋱的法拉第旋光玻璃是制造在激光技術(shù)中廣泛應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)器、隔離器和環(huán)形器的關(guān)鍵材料。特別是鋱鏑鐵磁致伸縮合金(TerFenol)的開發(fā)研制，更是開辟了鋱的新用途，Terfenol是70年代才發(fā)現(xiàn)的新型材料，該合金中有一半成份為鋱和鏑，有時(shí)加入鈥，其余為鐵，該合金由美國依阿華州阿姆斯實(shí)驗(yàn)室首先研制，當(dāng)Terfenol置于一個(gè)磁場中時(shí)，其尺寸的變化比一般磁性材料變化大這種變化可以使一些精密機(jī)械運(yùn)動得以實(shí)現(xiàn)。鋱鏑鐵開始主要用于聲納，目前已廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域，從燃料噴射系統(tǒng)、液體閥門控制、微定位到機(jī)械致動器、機(jī)構(gòu)和飛機(jī)太空望遠(yuǎn)鏡的調(diào)節(jié)機(jī)翼調(diào)節(jié)器等領(lǐng)域。

10、鏑（Dy）

金屬鏑（資料圖）

(1)作為釹鐵硼系永磁體的添加劑使用，在這種磁體中添加2~3%左右的鏑，可提高其矯頑力，過去鏑的需求量不大，但隨著釹鐵硼磁體需求的增加，它成為必要的添加元素，品位必須在95～99.9%左右，需求也在迅速增加。

(2)鏑用作熒光粉激活劑，三價(jià)鏑是一種有前途的單發(fā)光中心三基色發(fā)光材料的激活離子，它主要由兩個(gè)發(fā)射帶組成，一為黃光發(fā)射，另一為藍(lán)光發(fā)射，摻鏑的發(fā)光材料可作為三基色熒光粉。

(3)鏑是制備大磁致伸縮合金鋱鏑鐵(Terfenol)合金的必要的金屬原料，能使一些機(jī)械運(yùn)動的精密活動得以實(shí)現(xiàn)。(4)鏑金屬可用做磁光存貯材料，具有較高的記錄速度和讀數(shù)敏感度。

(5)用于鏑燈的制備，在鏑燈中采用的工作物質(zhì)是碘化鏑，這種燈具有亮度大、顏色好、色溫高、體積小、電弧穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，已用于電影、印刷等照明光源。

(6)由于鏑元素具有中子俘獲截面積大的特性，在原子能工業(yè)中用來測定中子能譜或做中子吸收劑。

(7)Dy3Al5O12還可用作磁致冷用磁性工作物質(zhì)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，鏑的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)粩嗟耐卣购脱由臁?/p>

11、鈥(Ho)

鈥鐵合金（資料圖）

12、鉺(Er)

氧化鉺粉末（資料圖）

13、銩(Tm)

銩在核反應(yīng)堆內(nèi)輻照后產(chǎn)生一種能發(fā)射X射線的同位素，可制造輕便X光機(jī)射線源。（資料圖）

14、鐿(Yb)

金屬鐿（資料圖）

15、镥(Lu)

氧化镥粉末（資料圖）

硅酸釔镥晶體（資料圖）

(1)制造某些特殊合金。例如镥鋁合金可用于中子活化分析。

(2)穩(wěn)定的镥核素在石油裂化、烷基化、氫化和聚合反應(yīng)中起催化作用。

(3)釔鐵或釔鋁石榴石的添加元素，改善某些性能。

(4)磁泡貯存器的原料。

(5)一種復(fù)合功能晶體摻镥四硼酸鋁釔釹，屬于鹽溶液冷卻生長晶體的技術(shù)領(lǐng)域，實(shí)驗(yàn)證明，摻镥NYAB晶體在光學(xué)均勻性和激光性能方面均優(yōu)于NYAB晶體。

(6)經(jīng)國外有關(guān)部門研究發(fā)現(xiàn)，镥在電致變色顯示和低維分子半導(dǎo)體中具有潛在的用途。此外，镥還用于能源電池技術(shù)以及熒光粉的激活劑等。

16、釔(Y)

金屬釔的用途很廣，釔鋁石榴石可用作激光材料，釔鐵石榴石用于微波技術(shù)及聲能換送，摻銪的釩酸釔及摻銪的氧化釔用作彩色電視機(jī)的熒光粉。（資料圖）

(1)鋼鐵及有色合金的添加劑。FeCr合金通常含0.5-4%釔，釔能夠增強(qiáng)這些不銹鋼的抗氧化性和延展性；MB26合金中添加適量的富釔混合稀土后，合金的綜合性能得到明顯的改善，可以替代部分中強(qiáng)鋁合金用于飛機(jī)的受力構(gòu)件上；在Al-Zr合金中加入少量富釔稀土，可提高合金導(dǎo)電率；該合金已為國內(nèi)大多數(shù)電線廠采用；在銅合金中加入釔，提高了導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度。

(2)含釔6%和鋁2%的氮化硅陶瓷材料，可用來研制發(fā)動機(jī)部件。

(3)用功率400瓦的釹釔鋁石榴石激光束來對大型構(gòu)件進(jìn)行鉆孔、切削和焊接等機(jī)械加工。

(4)由Y-Al石榴石單晶片構(gòu)成的電子顯微鏡熒光屏，熒光亮度高，對散射光的吸收低，抗高溫和抗機(jī)械磨損性能好。

(5)含釔達(dá)90%的高釔結(jié)構(gòu)合金，可以應(yīng)用于航空和其它要求低密度和高熔點(diǎn)的場合。

(6)目前倍受人們關(guān)注的摻釔SrZrO3高溫質(zhì)子傳導(dǎo)材料，對燃料電池、電解池和要求氫溶解度高的氣敏元件的生產(chǎn)具有重要的意義。此外，釔還用于耐高溫噴涂材料、原子能反應(yīng)堆燃料的稀釋劑、永磁材料添加劑以及電子工業(yè)中作吸氣劑等。

17、鈧(Sc)

金屬鈧（資料圖）

鈧比起釔和鑭系元素來，由于離子半徑特別小，氫氧化物的堿性也特別弱，因此，鈧和稀土元素混在一起時(shí)，用氨(或極稀的堿)處理，鈧將首先析出，故應(yīng)用“分級沉淀”法可比較容易地把它從稀土元素中分離出來。另一種方法是利用硝酸鹽的分極分解進(jìn)行分離，由于硝酸鈧最容易分解，從而達(dá)到分離的目的。

用電解的方法可制得金屬鈧，在煉鈧時(shí)將ScCl3、KCl、LiCl共熔，以熔融的鋅為陰極電解之，使鈧在鋅極上析出，然后將鋅蒸去可得金屬鈧。另外，在加工礦石生產(chǎn)鈾、釷和鑭系元素時(shí)易回收鈧。鎢、錫礦中綜合回收伴生的鈧也是鈧的重要來源之一?！♀傇诨衔镏兄饕?價(jià)態(tài)，在空氣中容易氧化成Sc2O3而失去金屬光澤變成暗灰色?！?/p>

鈧的主要用途有：

(1)鈧能與熱水作用放出氫，也易溶于酸，是一種強(qiáng)還原劑。

(2)鈧的氧化物及氫氧化物只顯堿性，但其鹽灰?guī)缀醪荒芩?。鈧的氯化物為白色結(jié)晶，易溶于水并能在空氣中潮解?！?3)在冶金工業(yè)中，鈧常用于制造合金(合金的添加劑)，以改善合金的強(qiáng)度、硬度和耐熱和性能。如，在鐵水中加入少量的鈧，可顯著改善鑄鐵的性能，少量的鈧加入鋁中，可改善其強(qiáng)度和耐熱性。

(4)在電子工業(yè)中，鈧可用作各種半導(dǎo)體器件，如鈧的亞硫酸鹽在半導(dǎo)體中的應(yīng)用已引起了國內(nèi)外的注意，含鈧的鐵氧體在計(jì)算機(jī)磁芯中也頗有前途?！?/p>

(5)在化學(xué)工業(yè)上，用鈧化合物作酒精脫氫及脫水劑，生產(chǎn)乙烯和用廢鹽酸生產(chǎn)氯時(shí)的高效催化劑?！?/p>

(6)在玻璃工業(yè)中，可以制造含鈧的特種玻璃。　

(7)在電光源工業(yè)中，含鈧和鈉制成的鈧鈉燈，具有效率高和光色正的優(yōu)點(diǎn)?！?/p>

(8)自然界中鈧均以45Sc形式存在，另外，鈧還有9種放射性同位素，即40～44Sc和46～49Sc。其中，46Sc作為示蹤劑，已在化工、冶金及海洋學(xué)等方面使用。在醫(yī)學(xué)上，國外還有人研究用46Sc來醫(yī)治癌癥。