Materials militars de terres rares: terbi de terres rares

Elements de terres raressón indispensables per al desenvolupament d'alta tecnologia, com ara noves energies i materials, i tenen un ampli valor d'aplicació en camps com l'aeroespacial, la defensa nacional i la indústria militar. Els resultats de la guerra moderna indiquen que les armes de terres rares dominen el camp de batalla, els avantatges tecnològics de les terres rares representen avantatges tecnològics militars i disposar de recursos està garantit. Per tant, les terres rares també s'han convertit en recursos estratègics pels quals competeixen les principals economies d'arreu del món, i les estratègies clau de matèries primeres com les terres rares sovint s'eleven a estratègies nacionals. Europa, Japó, Estats Units i altres països i regions presten més atenció als materials clau com les terres rares. El 2008, els materials de terres rares van ser catalogats com a "estratègia de materials clau" pel Departament d'Energia dels Estats Units; A principis de 2010, la Unió Europea va anunciar l'establiment d'una reserva estratègica de terres rares; L'any 2007, el Ministeri d'Educació, Cultura, Ciència i Tecnologia del Japó, així com el Ministeri d'Economia, Indústria i Tecnologia, ja havien proposat el "Pla estratègic d'elements" i el pla "Materials alternatius de metalls rars". Han pres mesures i polítiques contínues en reserves de recursos, progrés tecnològic, adquisició de recursos i recerca de materials alternatius. A partir d'aquest article, l'editor presentarà amb detall les missions i els papers de desenvolupament històric importants i fins i tot indispensables d'aquests elements de terres rares.

Terbi pertany a la categoria de terres rares pesades, amb una baixa abundància a l'escorça terrestre amb només 1,1 ppm.Òxid de terbirepresenta menys del 0,01% del total de terres rares. Fins i tot en el mineral de terres rares pesades del tipus d'ions d'itri amb el contingut més alt de terbi, el contingut de terbi només representa l'1,1-1,2% del total de terres rares, cosa que indica que pertany a la categoria "noble" d'elements de terres rares. El terbi és un metall gris plata amb ductilitat i textura relativament suau, que es pot tallar amb un ganivet; Punt de fusió 1360 ℃, punt d'ebullició 3123 ℃, densitat 8229 4kg/m3. Durant més de 100 anys des del descobriment del terbi el 1843, la seva escassetat i valor han impedit la seva aplicació pràctica durant molt de temps. Només en els últims 30 anys el terbi ha demostrat el seu talent únic.

El descobriment del terbi

Durant el mateix període en quèlantàva ser descobert, Karl G. Mosander de Suècia va analitzar el descobert inicialmentittrii va publicar un informe el 1842, aclarint que la terra d'itri descoberta inicialment no era un òxid elemental únic, sinó un òxid de tres elements. El 1843, Mossander va descobrir l'element terbi mitjançant la seva investigació sobre la terra d'itri. Encara va anomenar una d'elles terra d'itri i una d'ellesòxid d'erbi. No va ser fins al 1877 que va rebre el nom oficial de terbi, amb l'element símbol Tb. El seu nom prové de la mateixa font que l'itri, originari del poble d'Ytterby prop d'Estocolm, Suècia, on es va descobrir per primera vegada el mineral d'itri. El descobriment del terbi i dos elements més, el lantà i l'erbi, va obrir la segona porta al descobriment d'elements de terres rares, marcant la segona etapa del seu descobriment. Va ser purificat per primera vegada per G. Urban l'any 1905.

Mossander

Aplicació de terbi

L'aplicació deterbimajoritàriament implica àmbits d'alta tecnologia, que són projectes d'avantguarda intensius en tecnologia i coneixements, així com projectes amb importants beneficis econòmics, amb perspectives de desenvolupament atractives. Les principals àrees d'aplicació inclouen: (1) s'utilitza en forma de terres rares mixtes. Per exemple, s'utilitza com a fertilitzant compost de terres rares i additiu per a pinsos per a l'agricultura. (2) Activador de pols verda en tres pols fluorescents primàries. Els materials optoelectrònics moderns requereixen l'ús de tres colors bàsics de fòsfors, és a dir, vermell, verd i blau, que es poden utilitzar per sintetitzar diversos colors. I el terbi és un component indispensable en moltes pols fluorescents verdes d'alta qualitat. (3) S'utilitza com a material d'emmagatzematge òptic magneto. S'han utilitzat pel·lícules primes d'aliatge de metall de transició de terbi de metall amorf per fabricar discos òptics magneto d'alt rendiment. (4) Fabricació de vidre òptic magneto. El vidre rotatori de Faraday que conté terbi és un material clau per a la fabricació de rotadors, aïllants i circuladors en tecnologia làser. (5) El desenvolupament i desenvolupament de l'aliatge ferromagnetoestrictiu de terbi disprosi (TerFenol) ha obert noves aplicacions per al terbi.

 Per a l'agricultura i la ramaderia

Terbi de terres rarespot millorar la qualitat dels cultius i augmentar la taxa de fotosíntesi dins d'un determinat rang de concentració. Els complexos de terbi tenen una alta activitat biològica i els complexos ternaris de terbi, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3-3H2O, tenen bons efectes antibacterians i bactericides sobre Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis i Escherichia coli, amb un ampli espectre antibacterià. propietats. L'estudi d'aquests complexos proporciona una nova direcció de recerca per als fàrmacs bactericides moderns.

S'utilitza en el camp de la luminescència

Els materials optoelectrònics moderns requereixen l'ús de tres colors bàsics de fòsfors, és a dir, vermell, verd i blau, que es poden utilitzar per sintetitzar diversos colors. I el terbi és un component indispensable en moltes pols fluorescents verdes d'alta qualitat. Si el naixement de la pols fluorescent vermella de TV de color de terres rares ha estimulat la demanda d'itri i europi, aleshores l'aplicació i el desenvolupament de terbi s'han promogut per la pols fluorescent verda de tres colors primaris de terres rares per a làmpades. A principis de la dècada de 1980, Philips va inventar la primera làmpada fluorescent compacta d'estalvi d'energia del món i ràpidament la va promocionar a nivell mundial. Els ions Tb3 + poden emetre llum verda amb una longitud d'ona de 545 nm, i gairebé totes les pols fluorescents verdes de terres rares utilitzen terbi com a activador.

La pols fluorescent verda utilitzada per als tubs de raigs catòdics de TV en color (CRT) sempre s'ha basat principalment en sulfur de zinc barat i eficient, però la pols de terbi sempre s'ha utilitzat com a pols verda de projecció de TV en color, com ara Y2SiO5: Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, i LaOBr: Tb3+. Amb el desenvolupament de la televisió d'alta definició de pantalla gran (HDTV), també s'estan desenvolupant pols fluorescents verdes d'alt rendiment per a CRT. Per exemple, s'ha desenvolupat una pols fluorescent verda híbrida a l'estranger, que consisteix en Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, LaOCl: Tb3+ i Y2SiO5: Tb3+, que tenen una excel·lent eficiència de luminescència a alta densitat de corrent.

La pols fluorescent de raigs X tradicional és el tungstat de calci. A les dècades de 1970 i 1980 es van desenvolupar pols fluorescents de terres rares per a pantalles de sensibilització, com ara l'òxid de sulfur de lantà activat amb terbi, l'òxid de bromur de lantà activat amb terbi (per a pantalles verdes) i l'òxid de sulfur d'itri activat amb terbi. En comparació amb el tungstat de calci, la pols fluorescent de terres rares pot reduir el temps d'irradiació de raigs X per als pacients en un 80%, millorar la resolució de les pel·lícules de raigs X, allargar la vida útil dels tubs de raigs X i reduir el consum d'energia. El terbi també s'utilitza com a activador de pols fluorescent per a pantalles mèdiques de millora de raigs X, que pot millorar considerablement la sensibilitat de la conversió de raigs X en imatges òptiques, millorar la claredat de les pel·lícules de raigs X i reduir considerablement la dosi d'exposició de X- raigs al cos humà (en més d'un 50%).

TerbiTambé s'utilitza com a activador en el fòsfor LED blanc excitat per la llum blava per a la nova il·luminació de semiconductors. Es pot utilitzar per produir fòsfors de cristall òptic magneto d'alumini de terbi, utilitzant díodes emissors de llum blava com a fonts de llum d'excitació, i la fluorescència generada es barreja amb la llum d'excitació per produir llum blanca pura.

Els materials electroluminescents fets de terbi inclouen principalment pols fluorescent verda de sulfur de zinc amb terbi com a activador. Sota irradiació ultraviolada, els complexos orgànics de terbi poden emetre una forta fluorescència verda i es poden utilitzar com a materials electroluminescents de pel·lícula fina. Tot i que s'han fet avenços significatius en l'estudi de les pel·lícules primes electroluminescents de complexos orgànics de terres rares, encara hi ha un cert buit respecte a la pràctica, i la investigació sobre pel·lícules i dispositius electroluminescents de complexos orgànics de terres rares encara està en profunditat.

Les característiques de fluorescència del terbi també s'utilitzen com a sondes de fluorescència. La interacció entre el complex ofloxacina terbi (Tb3+) i l'àcid desoxiribonucleic (ADN) es va estudiar mitjançant espectres de fluorescència i absorció, com la sonda de fluorescència de l'ofloxacina terbi (Tb3+). Els resultats van mostrar que la sonda d'ofloxacina Tb3 + pot formar una unió de solc amb molècules d'ADN i l'àcid desoxiribonucleic pot millorar significativament la fluorescència del sistema d'ofloxacina Tb3 +. A partir d'aquest canvi, es pot determinar l'àcid desoxiribonucleic.

Per a materials magnetoòptics

Els materials amb efecte Faraday, també coneguts com a materials magneto-òptics, s'utilitzen àmpliament en làsers i altres dispositius òptics. Hi ha dos tipus comuns de materials òptics magneto: els cristalls òptics magneto i el vidre òptic magneto. Entre ells, els cristalls magneto-òptics (com el granat de ferro ittri i el granat de terbi gal·li) tenen els avantatges d'una freqüència de funcionament ajustable i una alta estabilitat tèrmica, però són cars i difícils de fabricar. A més, molts cristalls magneto-òptics amb alts angles de rotació de Faraday tenen una alta absorció en el rang d'ona curta, cosa que limita el seu ús. En comparació amb els cristalls òptics magneto, el vidre òptic magneto té l'avantatge d'una gran transmitància i es pot fer fàcilment en grans blocs o fibres. Actualment, les ulleres magnetoòptiques amb alt efecte Faraday són principalment ulleres dopades amb ions de terres rares.

S'utilitza per a materials d'emmagatzematge òptic magneto

En els últims anys, amb el ràpid desenvolupament de la multimèdia i l'ofimàtica, la demanda de nous discs magnètics d'alta capacitat ha anat augmentant. S'han utilitzat pel·lícules primes d'aliatge de metall de transició de terbi de metall amorf per fabricar discos òptics magneto d'alt rendiment. Entre ells, la pel·lícula fina d'aliatge TbFeCo té el millor rendiment. S'han produït materials magneto-òptics basats en terbi a gran escala, i els discos magneto-òptics fets amb ells s'utilitzen com a components d'emmagatzematge informàtic, amb una capacitat d'emmagatzematge augmentada de 10 a 15 vegades. Tenen els avantatges d'una gran capacitat i una velocitat d'accés ràpida, i es poden netejar i revestir desenes de milers de vegades quan s'utilitzen per a discos òptics d'alta densitat. Són materials importants en la tecnologia d'emmagatzematge d'informació electrònica. El material magnetoòptic més utilitzat a les bandes visibles i infrarojes properes és el cristall únic de Terbium Gallium Garnet (TGG), que és el millor material magneto-òptic per fabricar rotadors i aïllants Faraday.

Per a vidre òptic magneto

El vidre òptic magneto de Faraday té una bona transparència i isotropia a les regions visible i infraroja i pot formar diverses formes complexes. És fàcil produir productes de gran mida i es poden extreure en fibres òptiques. Per tant, té àmplies perspectives d'aplicació en dispositius magnetoòptics com ara aïlladors magnetoòptics, moduladors magnetoòptics i sensors de corrent de fibra òptica. A causa del seu gran moment magnètic i el seu petit coeficient d'absorció en el rang visible i infrarojo, els ions Tb3 + s'han convertit en ions de terres rares d'ús habitual en ulleres magnetoòptiques.

Aliatge ferromagnetoestrictiu de terbi disprosi

A finals del segle XX, amb l'aprofundiment continu de la revolució tecnològica mundial, van sorgir ràpidament nous materials d'aplicació de terres rares. El 1984, la Universitat Estatal d'Iowa, el Laboratori Ames del Departament d'Energia dels EUA i el Centre d'Investigació d'Armes de Superfície de la Marina dels Estats Units (del qual provenia el personal principal de la Edge Technology Corporation (ET REMA) establerta posteriorment) van col·laborar per desenvolupar un nou rar material intel·ligent de la terra, és a dir, material magnetostrictiu ferromagnètic de terbi disprosi. Aquest nou material intel·ligent té excel·lents característiques per convertir ràpidament l'energia elèctrica en energia mecànica. Els transductors submarins i electroacústics fets d'aquest material magnetoestrictiu gegant s'han configurat amb èxit en equips navals, altaveus de detecció de pous de petroli, sistemes de control de soroll i vibracions i sistemes d'exploració oceànica i de comunicació subterrània. Per tant, tan bon punt va néixer el material magnetostrictiu gegant de ferro de terbi disprosi, va rebre una atenció generalitzada dels països industrialitzats de tot el món. Edge Technologies als Estats Units va començar a produir materials magnetostrictius gegants de ferro de terbi disprosi l'any 1989 i els va anomenar Terfenol D. Posteriorment, Suècia, Japó, Rússia, el Regne Unit i Austràlia també van desenvolupar materials magnetoestrictors de ferro de terbi disprosi.

Des de la història del desenvolupament d'aquest material als Estats Units, tant la invenció del material com les seves primeres aplicacions monopolístiques estan directament relacionades amb la indústria militar (com la marina). Tot i que els departaments militars i de defensa de la Xina estan enfortint gradualment la seva comprensió d'aquest material. Tanmateix, amb la millora significativa de la força nacional integral de la Xina, la demanda d'aconseguir una estratègia competitiva militar del segle XXI i millorar els nivells d'equip serà definitivament molt urgent. Per tant, l'ús generalitzat de materials magnetostrictius gegants de ferro de terbi disprosi per part dels departaments militars i de defensa nacional serà una necessitat històrica.

En resum, les moltes excel·lents propietats deterbifan que sigui un membre indispensable de molts materials funcionals i una posició insubstituïble en alguns camps d'aplicació. No obstant això, a causa de l'elevat preu del terbi, la gent ha estat estudiant com evitar i minimitzar l'ús del terbi per tal de reduir els costos de producció. Per exemple, els materials magnetoòptics de terres rares també haurien d'utilitzar tant com sigui possible cobalt de ferro disprosi de baix cost o cobalt de gadolini terbi; Intenta reduir el contingut de terbi a la pols fluorescent verda que s'ha d'utilitzar. El preu s'ha convertit en un factor important que restringeix l'ús generalitzat del terbi. Però molts materials funcionals no poden prescindir-ne, per la qual cosa hem d'adherir-nos al principi d'"utilitzar un bon acer a la fulla" i intentar estalviar l'ús de terbi tant com sigui possible.