稀土神奇的金属大家族

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  近年来,国内外掀起了一股“稀土热”,“稀土”一词在媒体上出镜率甚高,很可能成为2010年度的一个新闻关键词。但对于许多人甚至许多业外的专家学者,“稀土”仍然是个感到陌生的词汇。人们常问:究竟什么是稀土?稀土有什么用途?
  对丁二化学和地质工作者来说,稀土只是一个专业名词。稀土是一组化学元素,包括化学元素周期表中15个镧系元素,即镧(La)、铈(ce)、镨(Pr)、钕(Ncl)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu),以及与他们性质相近的钪(sc)和钇(Y)共17种化学元素,我们把它们统称为稀土元素或稀土金属,简称稀土。稀土按照原子量大小和性质相近性,通常把原子量大于钆(包括钆)的镧系元素称作轻稀土,把大于钆的镧系庀素和钇称为中重稀土。
  
  稀土不稀稀土非土
  
  稀土是化学性质十分相似的一组活泼金属元素,在地球矿物中喜欢共生在一起(钪和钷除外)。由于200多年前最初以“土”的形态被化学家发现,而且当时被认为是地球上一种“十分稀少的土”,于是就命名为“Rare Earth”,译成中文即为“稀少的土”,简称“稀土”(缩写符号为RE)。这个奇怪的名称被一直沿用至今。
  就好像城市“马路”如今已不再是“马走的路”一样,稀土也只是一种历史沿革的名称。实际上,稀土在地球中并不稀少,按它们在地壳中的含量计算,为0.0153%(克拉克值),比铜、铅、锌等常见金属元素的含量还要高。它们名称上都有个金字旁,表明都是典型金属元素,因此我们说“稀土不稀,稀土非土”,称之为“稀土”,或许只是个“历史的误会”。
  稀土就像一群长相和性情十分相似的孪生兄弟姐妹,性格活泼又难于辨识,尽管它们和金银铜铁一样早就存在于地球矿物之中,但直到18世纪当化学科学发展到一定程度时,人们才开始发现它们,并研究从矿物中把它们一个个分离和辨认出来。从1794年发现第一个稀土元素钇,到1947年发现最后一个稀土元素钷,前后经历了150多年,消耗了西方几十位化学家的毕生精力,书写了化学元素发现史上一段奇特而漫长的史话。
  
  中国稀土资源得天独厚
  
  尽管地壳中稀土不稀,但集中成矿性差。至今发现的含稀土矿物有200余种,而具有工业利用价值的不足10种。
  相对于许多有色和稀有金属来说,世界稀土资源相对储量丰富。按目前消费量计,可开发利用数百年,属于地球上的“长寿命”金属。中国是世界稀土矿产最丰富的国家,在22个省(区)都发现有稀土矿床,主要有内蒙古白云鄂博混合型稀土矿、赣南粤北等南岭地区的离子型(风化壳淋积型)稀土矿、四川凉山和山东微山氟碳铈镧矿以及广东、广西、台湾等地的独居石矿。国外拥有稀土资源的主要国家有美国、俄罗斯、澳大利亚、巴西、加拿大、印度、哈萨克斯坦、马来西亚、越南等。
  中国稀土资源具有储量大、分布广、品种全、易开采等特点,资源之丰富,举世无双,得天独厚。内蒙古白云鄂博是一个特大型铁、稀土、铌等多金属共生矿,也是当今世界上最火的轻稀土矿,稀土工业储量达4315万吨(按稀土氧化物REO计),占全国稀土总储量的83%。它也是包钢的铁矿基地,稀土可以随铁开采并综合利用。江西、广东、广西、福建、湖南、云南等地的离子型稀土矿则是最重要的中重稀土资源。
  内蒙古白云鄂博混合犁稀土矿和南方离子型稀土矿都属于特殊类型,世界罕见,这也使中国稀土开发和提炼技术缺乏国外经验借鉴,主要靠自行研究开发来解决。自上世纪50年代开始,在国家高度重视下,组织全国科技攻关,选择确定合适的稀土选矿和分离冶炼工艺,建立了一套完整的的工艺流程,拥有完全的自主知识产权,形成了独具中国特色的北、南两大稀土工艺流程体系。同时,中科院院士、北京大学徐光宪教授创建的稀土萃取串极萃取理论,极大地提升了中国单一稀土分离技术,使中国稀土分离工业生产达到了世界一流水平。为此,徐光宪院士荣获了2008年全国最高科技奖。
  
  “点石成金”的“现代工业维生素”
  
  稀土的经典用途之一是制造打火机用的打火石(稀土发火合金),其发火原理是甚于铈合金燃点很低,摩擦就能产生火花,可替代火柴。人类发明使用打火石,迄今已经有100多年的历史。而稀土众多其他用途,则是随着稀土提纯技术和高科技新材料产业发展,于近半个世纪才陆续涌现出来的。
  由于稀土具有异常活泼和特殊的化学性质,使它们成为增强和改善金属与非金属材料的“高手”。在钢铁、有色金属,玻璃、陶瓷、化工材料甚至化肥等农业产品中,加入千分之几甚至万分之几的微龟稀土,就能使材料性能大大提高,可谓“点石成金”。因为用量小,作用大,就如同维生素对人体的作用,因此被称作“现代工业的维生素”。
  稀土作为球化剂可用于生产球墨铸铁和蠕墨铸铁,其强度、耐磨性能和加工性能有些优于特种钢,已广泛用于汽车、机车车辆、油气管道和机器部件,是稀土应用一大传统领域。钢水中加入微量稀土,可以起到除杂净化和变质作用,显著提高钢材性能;用稀土处理钢制造的铁路钢轨,具有优越的抗冲击和耐磨性能,已被用于高速路轨。中国高铁速度能创世界纪录,也有稀土一份功劳。
  在铝、镁、铜、锌、钛等有色合金中加入微量稀土,往往能获得出人意料的效果。如用于导电铝合金,可以抵消杂质硅的有害影响,使含硅量超标的金属铝也能制成完全合格的铝电缆;稀土不但提高了铝电缆的导电率,还大大增强了产品的机械强度和耐腐蚀性能;加稀七的镁合金由于性能优异,已被广泛用于飞机结构材料、汽车部件、手提电脑和手机外壳等方面,既提高了制品质量,也更加轻便节能。
  由于稀土具有特殊的化学活性,被大量用作石油和化学工业催化剂。稀土用作石油裂化催化剂,可以使汽油、柴油等轻质油的产油率提高5-7%;用做汽车尾气净化催化剂,可以降低铂铑等贵金属的消耗;用于人造橡胶催化剂,可以制造高充油顺丁橡胶和异戊橡胶,可制造汽车轮胎等制品,大大减少对天然橡胶的依赖。
  稀土还大量用作玻璃和陶瓷添加剂,如玻璃澄清剂、脱色剂、着色剂和特种玻璃成分。用稀土镨黄着色的黄色陶瓷,色彩高贵淡雅,既可以用于象牙瓷等高档名贵艺术品,也大量用于卫生建筑陶瓷,色彩美丽又柔和;用钕着色的玻璃具有双色效应,在不同光照下,可以呈现淡蓝、淡紫和玫瑰色等梦幻般的色彩;稀土铈具有很强的吸收和隔断紫外线功能,已被大量用于高档汽车玻璃和护目镜。铈的这种功能也被用于保护皮肤的防晒霜。
  稀土还具有奇妙的生物效应,可以提高农作物对氮磷钾的吸收。用于粮食和经济作物不但能提高产量,还能改善品质,提高作物抗病害能力;对于含糖作物能明显提高含糖量,如对于甘蔗、甜菜、 西瓜、葡萄等,都具有明显的增糖效能;稀土植物生理调节剂不但在中国许多地区的农田推广使用,还被推介到韩国等地;稀土也被用于养殖业的饲料添加剂,如羊、猪、鸡和鱼虾养殖,可以增加肉蛋产量并提高牲畜和鱼虾的抗病能力。中国在蒙古国进行的一项合作稀土实验表明,在2009年一场冰雪灾害后,使用了稀土饲料添加剂喂养的羊群比不用的羊群,因冰冻害造成的死亡率大大降低。
  稀土生物效应甚至被用于制造防治晕船晕车、治疗烫伤、皮肤杀菌消炎和治疗肾脏病透析并发症等药物。
  
  21世纪新材料宝库
  
  稀土元素具有特殊的光、电、磁、核等物理性能和化学特性,利用这些性质特长,可以制造出各种稀土功能材料,如稀土永磁、发光,激光、储氢、催化、抛光和原子能反应堆等新材料。
  稀土永磁体料是当今磁性能最强的材料,号称当代“磁王”,钕铁硼永磁体作为第三代稀土永磁,性能优异而又价格便宜,1983年一经问世便迅速发展,取代其他永磁材料占领了高保真扬声器、电子手表和微特电机等领域,并迅速开拓了永磁磁选机、核磁共振成像仪、风力发电机、汽车和机器人电机、电脑磁盘驱动器以及军工器材等领域。特别是发展混合动力汽车、纯电动汽车、风力发电机等绿色动力技术,稀土是不可缺少的材料,是当前最大的稀土消费领域,成为拉动整个稀土产业发展的主要动力。
  镧系稀土是制造发光荧光材料的理想基本元素。稀土可以制造红、绿,蓝三基色荧光粉,用它们制造的稀土三基色节能灯正在取代高耗能的白炽灯,已在全球刮起推广稀土节能照明的“风暴”。用稀土发光材料制造的金属卤化物灯,也已成为随处可见的城市立面照明主流,被誉为城市夜间美景的“化妆师”。
  稀土发光材料还可用于彩色电视机和各种电脑平面显示器,无论是传统的阴极射线(CRT)彩电,还是等离子或液晶显示屏,都正因为使用了稀土荧光粉,才能色彩逼真地再现万紫千红的大千世界。
  当今80%以上的土固体激光材料都用上了稀土。例如,掺钕的钇铝石榴石激光晶体已用于激光加工、激光测距和激光手术刀等方面。大功率激光钕玻璃还可用于核聚变点火装置和激光武器等领域。
  稀土储氢材料具有“呼吸”氢气的本领,可用作镍氢电池的负极材料。稀土镍氢电池比镍镉电池环保,比锂电池安全性能好,作为绿色环保汽车的动力源,已被用于混合动力汽车和纯电动汽车。
  稀土还被大量用作石油和化工催化剂。炼油工业使用稀土分子筛石油裂化催化剂可以提高汽油和柴油等轻质油产率5-7%。稀土三元催化剂被用于汽车尾气净化装置,能节省贵金属消耗,并使尾气中一氧化碳、氧化氮和烃类有害成分大大降低,减少大气污热,净化生活环境。各种稀土专用催化剂还被用作合成橡胶催化剂、油漆催干剂、塑料热稳定剂等方面。稀土是许多无机和有机化学反应的催化能手。
  稀土可用作高级光学玻璃和特种玻璃的主要成分。具有高折射率和低色散性的镧系光学玻璃被大量用于照相和摄影镜头。加铈的防耐辐射玻璃可吸收和隔绝有害射线,可用于各种辐射环境,如核反应堆等。稀土抛光粉被大量用于液晶屏、光学镜头、电子芯片和人造水晶饰品的研磨抛光加工,是难以用其他材料代替的最佳抛光材料。
  稀土还被用于特种陶瓷,既有结构陶瓷(如增韧高强陶瓷刀),和电子陶瓷(如电容器)等。此外,稀土高温超导材料、稀土闪烁晶体和稀土室温磁制冷等高端新技术材料也都在加紧研发,有些已经实现了产业化。
  稀土应用的另一个主要看点,是在航天工程和现代国防军工领域的应用。除了添加稀土的金属材料用于飞机、舰艇、装甲车、火炮等海陆空装备外,稀土还用于雷达,微光夜视仪,激光测距扫描、导弹导航、水下声纳系统、激光武器等装置。在中国载人航天飞机和“嫦娥”探月工程中,都用上了稀土功能材料。
  总之,相比用作普通材料的添加剂,稀上功能材料更能充分发挥稀土的特有性能,使各种稀土的应用恰到好处,更体现出“好钢用在刀刃上。而稀土的许多潜在性能,还在不断被发现和开发出来。越是工业和科技发达的国家,稀土用量越大,应用水平也越高。因此,稀土被称作“21世纪的新材料宝库”和战略性元素。有“中国稀土之父”之称的徐光宪院士号召大家要“用稀土抢占高科技的制高点”。
  
  中国“稀土之光”照亮全球
  
  中国价廉质优的稀土产品,正在满足当今世界90%以上的稀土需求,已经为全人类造福做出了巨大贡献。目前世界上使用的80%以上的稀土三基色节能灯管,都是由中国直接或间接生产:提供的。可以毫不夸张地说,中国的“稀土之光”正在照亮全世界。
  不久前出台的《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》中,明确把稀土功能材料列为要大力发展的新材料产业的首项。尽管不断面临新的困难和挑战,但可以预期,稀土产业作为“朝阳产业”,必然会伴随中国经济建设的快速发展而前景更加辉煌。中国整个稀土产业和其他稀土新产品也将会像稀土照明一样,为造福全人类做出更大贡献。
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