Seltene Erden-Militärmaterialien – Seltenerd-Terbium

Seltenerdelementesind für die Entwicklung von High-Tech wie neuen Energien und Materialien unverzichtbar und haben einen breiten Anwendungswert in Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt, der Landesverteidigung und der Militärindustrie. Die Ergebnisse der modernen Kriegsführung zeigen, dass Seltenerdwaffen das Schlachtfeld dominieren, dass die technologischen Vorteile der Seltenen Erden militärisch-technologische Vorteile darstellen und dass die Verfügbarkeit von Ressourcen garantiert ist. Daher sind seltene Erden auch zu strategischen Ressourcen geworden, um die große Volkswirtschaften auf der ganzen Welt konkurrieren, und wichtige Rohstoffstrategien wie seltene Erden werden häufig zu nationalen Strategien. Europa, Japan, die Vereinigten Staaten und andere Länder und Regionen widmen Schlüsselmaterialien wie seltenen Erden mehr Aufmerksamkeit. Im Jahr 2008 wurden Seltenerdmaterialien vom Energieministerium der Vereinigten Staaten als „Schlüsselmaterialstrategie“ aufgeführt; Anfang 2010 kündigte die Europäische Union die Einrichtung einer strategischen Reserve an Seltenen Erden an; Bereits 2007 hatten das japanische Ministerium für Bildung, Kultur, Wissenschaft und Technologie sowie das Ministerium für Wirtschaft, Industrie und Technologie den „Elemente-Strategieplan“ und den „Seltenmetall-Alternativmaterialien“-Plan vorgeschlagen. Sie haben kontinuierliche Maßnahmen und Richtlinien in Bezug auf Ressourcenreserven, technologischen Fortschritt, Ressourcenbeschaffung und die Suche nach alternativen Materialien ergriffen. Ausgehend von diesem Artikel wird der Herausgeber die wichtigen und sogar unverzichtbaren historischen Entwicklungsmissionen und Rollen dieser Seltenerdelemente im Detail vorstellen.

Terbium gehört zur Kategorie der schweren Seltenen Erden, mit einer geringen Häufigkeit in der Erdkruste von nur 1,1 ppm.Terbiumoxidmacht weniger als 0,01 % der gesamten Seltenen Erden aus. Selbst im schweren Seltenerdmetallerz mit hohem Yttriumionengehalt und dem höchsten Gehalt an Terbium macht der Terbiumgehalt nur 1,1–1,2 % des gesamten Seltenerdmetalls aus, was darauf hinweist, dass es zur „edlen“ Kategorie der Seltenerdelemente gehört. Terbium ist ein silbergraues Metall mit Duktilität und relativ weicher Textur, das mit einem Messer aufgeschnitten werden kann; Schmelzpunkt 1360 ℃, Siedepunkt 3123 ℃, Dichte 8229 4kg/m3. Seit der Entdeckung von Terbium im Jahr 1843 haben seine Knappheit und sein Wert über 100 Jahre lang seine praktische Anwendung verhindert. Erst in den letzten 30 Jahren hat Terbium sein einzigartiges Talent unter Beweis gestellt.

Die Entdeckung von Terbium

Im gleichen Zeitraum, alsLanthanentdeckt wurde, analysierte Karl G. Mosander aus Schweden das ursprünglich EntdeckteYttriumund veröffentlichte 1842 einen Bericht, in dem klargestellt wurde, dass es sich bei der ursprünglich entdeckten Yttriumerde nicht um ein einzelnes Elementaroxid, sondern um ein Oxid aus drei Elementen handelte. Im Jahr 1843 entdeckte Mossander durch seine Forschungen auf Yttriumerde das Element Terbium. Einen von ihnen nannte er noch Yttriumerde und einen von ihnenErbiumoxid. Erst 1877 erhielt es offiziell den Namen Terbium mit dem Elementsymbol Tb. Sein Name stammt aus derselben Quelle wie Yttrium und stammt aus dem Dorf Ytterby in der Nähe von Stockholm, Schweden, wo Yttriumerz erstmals entdeckt wurde. Die Entdeckung von Terbium und zwei weiteren Elementen, Lanthan und Erbium, öffnete die zweite Tür zur Entdeckung der Seltenerdelemente und markierte die zweite Phase ihrer Entdeckung. Es wurde erstmals 1905 von G. Urban gereinigt.

Mossander

Anwendung von Terbium

Die Anwendung vonTerbiumMeistens handelt es sich dabei um High-Tech-Bereiche, bei denen es sich um technologie- und wissensintensive Spitzenprojekte sowie um Projekte mit erheblichem wirtschaftlichen Nutzen und attraktiven Entwicklungsaussichten handelt. Zu den Hauptanwendungsgebieten gehören: (1) die Verwendung in Form gemischter seltener Erden. Beispielsweise wird es als Seltenerd-Mehrnährstoffdünger und Futtermittelzusatz in der Landwirtschaft eingesetzt. (2) Aktivator für grünes Pulver in drei primären fluoreszierenden Pulvern. Moderne optoelektronische Materialien erfordern die Verwendung von drei Grundfarben von Leuchtstoffen, nämlich Rot, Grün und Blau, aus denen sich verschiedene Farben synthetisieren lassen. Und Terbium ist ein unverzichtbarer Bestandteil vieler hochwertiger grüner Leuchtstoffpulver. (3) Wird als magnetooptisches Speichermaterial verwendet. Zur Herstellung leistungsstarker magneto-optischer Scheiben wurden dünne Schichten aus amorphen Metall-Terbium-Übergangsmetalllegierungen verwendet. (4) Herstellung von magneto-optischem Glas. Terbiumhaltiges Faraday-Rotationsglas ist ein Schlüsselmaterial für die Herstellung von Rotatoren, Isolatoren und Zirkulatoren in der Lasertechnologie. (5) Die Entwicklung und Weiterentwicklung der ferromagnetostriktiven Terbium-Dysprosium-Legierung (TerFenol) hat neue Anwendungen für Terbium eröffnet.

 Für Landwirtschaft und Tierhaltung

Seltenerd-Terbiumkann die Qualität von Nutzpflanzen verbessern und die Photosyntheserate innerhalb eines bestimmten Konzentrationsbereichs erhöhen. Die Komplexe von Terbium haben eine hohe biologische Aktivität, und die ternären Komplexe von Terbium, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3-3H2O, haben eine gute antibakterielle und bakterizide Wirkung auf Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis und Escherichia coli mit antibakteriellem Breitbandspektrum Eigenschaften. Die Untersuchung dieser Komplexe bietet eine neue Forschungsrichtung für moderne bakterizide Arzneimittel.

Wird im Bereich der Lumineszenz eingesetzt

Moderne optoelektronische Materialien erfordern die Verwendung von drei Grundfarben von Leuchtstoffen, nämlich Rot, Grün und Blau, aus denen sich verschiedene Farben synthetisieren lassen. Und Terbium ist ein unverzichtbarer Bestandteil vieler hochwertiger grüner Leuchtstoffpulver. Wenn die Entstehung des roten Leuchtstoffpulvers der seltenen Erden in der Farbe TV die Nachfrage nach Yttrium und Europium angekurbelt hat, dann wurden die Anwendung und Entwicklung von Terbium durch grüne Leuchtstoffpulver der drei Grundfarben seltener Erden für Lampen gefördert. In den frühen 1980er Jahren erfand Philips die weltweit erste kompakte energiesparende Leuchtstofflampe und vermarktete sie schnell weltweit. Tb3+-Ionen können grünes Licht mit einer Wellenlänge von 545 nm emittieren, und fast alle grün fluoreszierenden Seltenerdpulver verwenden Terbium als Aktivator.

Das für Farbfernseh-Kathodenstrahlröhren (CRTs) verwendete grüne Fluoreszenzpulver basierte schon immer hauptsächlich auf billigem und effizientem Zinksulfid, aber Terbiumpulver wurde schon immer als grünes Projektionsfarbfernsehpulver verwendet, wie z. B. Y2SiO5: Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+ und LaOBr: Tb3+. Mit der Entwicklung des hochauflösenden Großbildfernsehens (HDTV) werden auch leistungsstarke grüne Fluoreszenzpulver für CRTs entwickelt. Beispielsweise wurde im Ausland ein hybrides grün fluoreszierendes Pulver entwickelt, das aus Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, LaOCl: Tb3+ und Y2SiO5: Tb3+ besteht und eine hervorragende Lumineszenzeffizienz bei hoher Stromdichte aufweist.

Das herkömmliche Röntgenfluoreszenzpulver ist Calciumwolframat. In den 1970er und 1980er Jahren wurden fluoreszierende Seltenerdpulver für Sensibilisierungsschirme entwickelt, wie z. B. terbiumaktiviertes Lanthansulfidoxid, terbiumaktiviertes Lanthanbromidoxid (für grüne Schirme) und terbiumaktiviertes Yttriumsulfidoxid. Im Vergleich zu Kalziumwolframat kann fluoreszierendes Seltenerdpulver die Zeit der Röntgenbestrahlung für Patienten um 80 % verkürzen, die Auflösung von Röntgenfilmen verbessern, die Lebensdauer von Röntgenröhren verlängern und den Energieverbrauch senken. Terbium wird auch als fluoreszierender Pulveraktivator für medizinische Röntgenverstärkerbildschirme verwendet, wodurch die Empfindlichkeit der Röntgenumwandlung in optische Bilder erheblich verbessert, die Klarheit von Röntgenfilmen verbessert und die Belichtungsdosis von Röntgenstrahlen erheblich reduziert werden kann. Strahlen auf den menschlichen Körper (um mehr als 50 %).

Terbiumwird auch als Aktivator im durch blaues Licht angeregten weißen LED-Leuchtstoff für neue Halbleiterbeleuchtungen verwendet. Es kann zur Herstellung von magnetooptischen Terbium-Aluminium-Kristallleuchtstoffen verwendet werden, wobei blaue Leuchtdioden als Anregungslichtquellen verwendet werden und die erzeugte Fluoreszenz mit dem Anregungslicht gemischt wird, um reines weißes Licht zu erzeugen.

Die aus Terbium hergestellten elektrolumineszierenden Materialien umfassen hauptsächlich grün fluoreszierendes Zinksulfidpulver mit Terbium als Aktivator. Unter ultravioletter Bestrahlung können organische Terbiumkomplexe eine starke grüne Fluoreszenz emittieren und als elektrolumineszierende Dünnschichtmaterialien verwendet werden. Obwohl bei der Untersuchung von elektrolumineszierenden Dünnfilmen mit organischen Komplexen aus seltenen Erden erhebliche Fortschritte erzielt wurden, besteht immer noch eine gewisse Lücke in der Praxistauglichkeit, und die Forschung zu dünnen elektrolumineszierenden Dünnfilmen und Bauteilen aus organischen Komplexen aus seltenen Erden ist noch tiefgreifend.

Die Fluoreszenzeigenschaften von Terbium werden auch als Fluoreszenzsonden genutzt. Die Wechselwirkung zwischen Ofloxacin-Terbium (Tb3+)-Komplex und Desoxyribonukleinsäure (DNA) wurde mithilfe von Fluoreszenz- und Absorptionsspektren untersucht, beispielsweise der Fluoreszenzsonde von Ofloxacin-Terbium (Tb3+). Die Ergebnisse zeigten, dass die Ofloxacin-Tb3+-Sonde eine Furche bilden kann, die mit DNA-Molekülen bindet, und dass Desoxyribonukleinsäure die Fluoreszenz des Ofloxacin-Tb3+-Systems deutlich verstärken kann. Anhand dieser Veränderung kann Desoxyribonukleinsäure bestimmt werden.

Für magneto-optische Materialien

Materialien mit Faraday-Effekt, auch magnetooptische Materialien genannt, werden häufig in Lasern und anderen optischen Geräten verwendet. Es gibt zwei gängige Arten magneto-optischer Materialien: magneto-optische Kristalle und magneto-optisches Glas. Unter diesen weisen magnetooptische Kristalle (wie Yttrium-Eisen-Granat und Terbium-Gallium-Granat) die Vorteile einer einstellbaren Betriebsfrequenz und einer hohen thermischen Stabilität auf, sind jedoch teuer und schwierig herzustellen. Darüber hinaus weisen viele magnetooptische Kristalle mit großen Faraday-Rotationswinkeln eine hohe Absorption im Kurzwellenbereich auf, was ihre Verwendung einschränkt. Im Vergleich zu magneto-optischen Kristallen hat magneto-optisches Glas den Vorteil einer hohen Durchlässigkeit und lässt sich leicht in große Blöcke oder Fasern verarbeiten. Derzeit sind magnetooptische Gläser mit hohem Faraday-Effekt hauptsächlich mit Seltenerdionen dotierte Gläser.

Wird für magneto-optische Speichermaterialien verwendet

In den letzten Jahren ist mit der rasanten Entwicklung der Multimedia- und Büroautomation die Nachfrage nach neuen Magnetplatten mit hoher Kapazität gestiegen. Zur Herstellung leistungsstarker magneto-optischer Scheiben wurden dünne Schichten aus amorphen Metall-Terbium-Übergangsmetalllegierungen verwendet. Unter diesen weist der TbFeCo-Legierungsdünnfilm die beste Leistung auf. Magnetooptische Materialien auf Terbiumbasis wurden in großem Maßstab hergestellt und daraus hergestellte magnetooptische Scheiben werden als Computerspeicherkomponenten verwendet, wobei die Speicherkapazität um das 10- bis 15-fache erhöht wird. Sie bieten die Vorteile einer großen Kapazität und einer schnellen Zugriffsgeschwindigkeit und können bei Verwendung für optische Discs mit hoher Dichte zehntausende Male abgewischt und beschichtet werden. Sie sind wichtige Materialien in der elektronischen Informationsspeichertechnologie. Das am häufigsten verwendete magnetooptische Material im sichtbaren und nahen Infrarotbereich ist der Einkristall Terbium-Gallium-Granat (TGG), das beste magnetooptische Material zur Herstellung von Faraday-Rotatoren und -Isolatoren.

Für magneto-optisches Glas

Magnetisches optisches Faraday-Glas weist eine gute Transparenz und Isotropie im sichtbaren und infraroten Bereich auf und kann verschiedene komplexe Formen bilden. Es lässt sich leicht in großformatigen Produkten herstellen und kann zu optischen Fasern verarbeitet werden. Daher bietet es breite Anwendungsaussichten in magneto-optischen Geräten wie magneto-optischen Isolatoren, magneto-optischen Modulatoren und faseroptischen Stromsensoren. Aufgrund seines großen magnetischen Moments und seines geringen Absorptionskoeffizienten im sichtbaren und infraroten Bereich sind Tb3+-Ionen zu häufig verwendeten Seltenerdionen in magneto-optischen Gläsern geworden.

Ferromagnetostriktive Terbium-Dysprosium-Legierung

Am Ende des 20. Jahrhunderts, mit der kontinuierlichen Vertiefung der weltweiten technologischen Revolution, entstanden rasch neue Materialien für die Anwendung seltener Erden. Im Jahr 1984 arbeiteten die Iowa State University, das Ames Laboratory des US-Energieministeriums und das US Navy Surface Weapons Research Center (aus dem das Hauptpersonal der später gegründeten Edge Technology Corporation (ET REMA) stammte) zusammen, um eine neue seltene Waffe zu entwickeln Intelligentes Material der Erde, nämlich ferromagnetisches magnetostriktives Terbium-Dysprosium-Material. Dieses neue intelligente Material verfügt über hervorragende Eigenschaften zur schnellen Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie. Die aus diesem riesigen magnetostriktiven Material hergestellten Unterwasser- und elektroakustischen Wandler wurden erfolgreich in Marineausrüstung, Lautsprechern zur Erdölbohrungserkennung, Lärm- und Vibrationskontrollsystemen sowie Meereserkundungs- und unterirdischen Kommunikationssystemen konfiguriert. Daher erregte das riesige magnetostriktive Material Terbium-Dysprosium-Eisen, sobald es geboren wurde, große Aufmerksamkeit in Industrieländern auf der ganzen Welt. Edge Technologies in den Vereinigten Staaten begann 1989 mit der Produktion von riesigen magnetostriktiven Materialien aus Terbium-Dysprosium-Eisen und nannte sie Terfenol D. Anschließend entwickelten Schweden, Japan, Russland, das Vereinigte Königreich und Australien auch riesige magnetostriktive Materialien aus Terbium-Dysprosium-Eisen.

Aus der Geschichte der Entwicklung dieses Materials in den Vereinigten Staaten geht hervor, dass sowohl die Erfindung des Materials als auch seine frühen monopolistischen Anwendungen in direktem Zusammenhang mit der Militärindustrie (z. B. der Marine) stehen. Allerdings verbessern Chinas Militär- und Verteidigungsministerien nach und nach ihr Verständnis für dieses Material. Angesichts der erheblichen Steigerung der umfassenden nationalen Stärke Chinas wird jedoch die Notwendigkeit einer militärischen Wettbewerbsstrategie des 21. Jahrhunderts und einer Verbesserung des Ausrüstungsniveaus auf jeden Fall sehr dringend sein. Daher wird die weit verbreitete Verwendung von magnetostriktiven Materialien aus Terbium-Dysprosium-Eisen-Riesen durch das Militär und die nationalen Verteidigungsbehörden eine historische Notwendigkeit sein.

Kurz gesagt, die vielen hervorragenden Eigenschaften vonTerbiummachen es zu einem unverzichtbaren Bestandteil vieler Funktionsmaterialien und zu einer unersetzlichen Stellung in manchen Anwendungsbereichen. Aufgrund des hohen Preises von Terbium wird jedoch darüber nachgedacht, wie man den Einsatz von Terbium vermeiden und minimieren kann, um die Produktionskosten zu senken. Beispielsweise sollten magnetooptische Seltenerdmaterialien so weit wie möglich auch kostengünstiges Dysprosium-Eisen-Kobalt oder Gadolinium-Terbium-Kobalt verwenden; Versuchen Sie, den Terbiumgehalt im verwendeten grünen Leuchtstoffpulver zu reduzieren. Der Preis ist zu einem wichtigen Faktor geworden, der die weit verbreitete Verwendung von Terbium einschränkt. Doch viele Funktionsmaterialien kommen ohne ihn nicht aus, daher müssen wir uns an den Grundsatz halten, „guten Stahl für die Klinge zu verwenden“ und versuchen, den Einsatz von Terbium so weit wie möglich einzusparen.