Harvinaiset maametallitovat välttämättömiä korkean teknologian, kuten uuden energian ja materiaalien, kehittämisessä, ja niillä on laaja käyttöarvo sellaisilla aloilla kuin ilmailu-, maanpuolustus- ja sotilasteollisuus. Modernin sodankäynnin tulokset osoittavat, että harvinaisten maametallien aseet hallitsevat taistelukenttää, harvinaisten maametallien tekniset edut edustavat sotilasteknisiä etuja ja resurssien saaminen on taattu. Siksi harvinaisista maametallista on tullut myös strategisia resursseja, joista suuret taloudet ympäri maailman kilpailevat, ja tärkeimmät raaka-ainestrategiat, kuten harvinaiset maametallit, nousevat usein kansallisiksi strategioiksi. Eurooppa, Japani, Yhdysvallat ja muut maat ja alueet kiinnittävät enemmän huomiota tärkeimpiin materiaaleihin, kuten harvinaisiin maametalliin. Vuonna 2008 harvinaisten maametallien materiaalit listattiin "avainmateriaalistrategiaksi" Yhdysvaltojen energiaministeriössä; Vuoden 2010 alussa Euroopan unioni ilmoitti harvinaisten maametallien strategisen reservin perustamisesta. Vuonna 2007 Japanin opetus-, kulttuuri-, tiede- ja teknologiaministeriö sekä talous-, teollisuus- ja teknologiaministeriö olivat jo ehdottaneet "Elementtistrategiasuunnitelmaa" ja "Rare Metal Alternative Materials" -suunnitelmaa. He ovat ryhtyneet jatkuviin toimenpiteisiin ja politiikkaan resurssivarantojen, teknologisen kehityksen, resurssien hankinnan ja vaihtoehtoisten materiaalien etsimisen suhteen. Tästä artikkelista alkaen toimittaja esittelee yksityiskohtaisesti näiden harvinaisten maametallien tärkeät ja jopa välttämättömät historialliset kehitystehtävät ja roolit.
Terbium kuuluu raskaiden harvinaisten maametallien luokkaan, ja maankuoressa on alhainen määrä, vain 1,1 ppm.TerbiumoksidiNiiden osuus harvinaisten maametallien kokonaismäärästä on alle 0,01 %. Jopa korkean yttrium-ionityypin raskaassa harvinaisten maametallien malmissa, jossa on korkein terbiumipitoisuus, terbiumpitoisuus on vain 1,1-1,2 % harvinaisten maametallien kokonaismäärästä, mikä osoittaa, että se kuuluu harvinaisten maametallien "jalo"-luokkaan. Terbium on hopeanharmaa metalli, jolla on taipuisuus ja suhteellisen pehmeä rakenne, joka voidaan leikata auki veitsellä; Sulamispiste 1360 ℃, kiehumispiste 3123 ℃, tiheys 8229 4kg/m3. Yli 100 vuoden ajan terbiumin löytämisestä vuonna 1843 sen niukkuus ja arvo ovat estäneet sen käytännön soveltamisen pitkään. Terbium on osoittanut ainutlaatuisen kykynsä vasta viimeisten 30 vuoden aikana.
Terbiumin löytö
Samaan aikaan kunlantaanilöydettiin, ruotsalainen Karl G. Mosander analysoi alun perin löydettyäyttriumja julkaisi vuonna 1842 raportin, jossa selvensi, että alun perin löydetty yttriummaa ei ollut yksittäinen alkuaineoksidi, vaan kolmen alkuaineen oksidi. Vuonna 1843 Mossander löysi alkuaineen terbium tutkimalla yttriummaata. Hän antoi silti yhden niistä nimen yttrium earth ja yhden niistäerbiumoksidi. Vasta vuonna 1877 se sai virallisen nimen terbium alkuainetunnuksella Tb. Sen nimi on peräisin samasta lähteestä kuin yttrium, joka on peräisin Ytterbyn kylästä lähellä Tukholmaa, Ruotsissa, josta yttriummalmi löydettiin ensimmäisen kerran. Terbiumin ja kahden muun alkuaineen, lantaanin ja erbiumin, löytö avasi toisen oven harvinaisten maametallien löytämiselle, mikä merkitsi niiden löytämisen toista vaihetta. G. Urban puhdisti sen ensimmäisen kerran vuonna 1905.
Mossander
Terbiumin käyttö
Sovellusterbiumenimmäkseen korkean teknologian aloja, jotka ovat teknologia- ja osaamisintensiivisiä huippuprojekteja sekä merkittäviä taloudellisia etuja tuottavia hankkeita, joilla on houkuttelevat kehitysnäkymät. Tärkeimmät sovellusalueet ovat: (1) hyödyntäminen harvinaisten maametallien sekoitettuna. Sitä käytetään esimerkiksi harvinaisten maametallien yhdistelmälannoitteena ja rehun lisäaineena maataloudessa. (2) Aktivaattori vihreälle jauheelle kolmessa ensisijaisessa fluoresoivassa jauheessa. Nykyaikaiset optoelektroniset materiaalit edellyttävät kolmen loisteaineen perusvärin, punaisen, vihreän ja sinisen, käyttöä, joita voidaan käyttää erilaisten värien syntetisoimiseen. Ja terbium on välttämätön komponentti monissa korkealaatuisissa vihreissä fluoresoivissa jauheissa. (3) Käytetään magneetti-optisena tallennusmateriaalina. Amorfisia metalliterbium-siirtymämetalliseoksia ohuita kalvoja on käytetty korkean suorituskyvyn optisten magnetolevyjen valmistukseen. (4) Magneto-optisen lasin valmistus. Terbiumia sisältävä Faradayn pyörivä lasi on avainmateriaali lasertekniikan rotaattorien, isolaattorien ja kierrätyspumppujen valmistuksessa. (5) Terbium-dysprosium-ferromagnetostriktiivisen lejeeringin (TerFenol) kehitys ja kehittäminen on avannut uusia sovelluksia terbiumille.
Maatalouteen ja karjanhoitoon
Harvinaisen maametallin terbiumvoi parantaa sadon laatua ja lisätä fotosynteesin nopeutta tietyllä pitoisuusalueella. Terbiumin komplekseilla on korkea biologinen aktiivisuus, ja terbiumin kolmikomponenttisilla komplekseilla Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3-3H2O on hyvät antibakteeriset ja bakterisidiset vaikutukset Staphylococcus aureukseen, Bacillus subtilisiin ja Escherichia coliin, ja niillä on laajakirjoinen antibakteerinen vaikutus. ominaisuuksia. Näiden kompleksien tutkimus tarjoaa uuden tutkimussuunnan nykyaikaisille bakterisidisille lääkkeille.
Käytetään luminesenssin alalla
Nykyaikaiset optoelektroniset materiaalit edellyttävät kolmen loisteaineen perusvärin, punaisen, vihreän ja sinisen, käyttöä, joita voidaan käyttää erilaisten värien syntetisoimiseen. Ja terbium on välttämätön komponentti monissa korkealaatuisissa vihreissä fluoresoivissa jauheissa. Jos harvinaisen maametallin väritelevision punaisen fluoresoivan jauheen syntyminen on lisännyt yttriumin ja europiumin kysyntää, terbiumin käyttöä ja kehitystä on edistänyt harvinaisten maametallien kolmen päävärin vihreä fluoresoiva jauhe lampuille. 1980-luvun alussa Philips keksi maailman ensimmäisen kompaktin energiaa säästävän loistelampun ja levitti sitä nopeasti maailmanlaajuisesti. Tb3+-ionit voivat lähettää vihreää valoa, jonka aallonpituus on 545 nm, ja lähes kaikki harvinaisten maametallien vihreät fluoresoivat jauheet käyttävät terbiumia aktivaattorina.
Väritelevision katodisädeputkissa (CRT) käytetty vihreä fluoresoiva jauhe on aina perustunut pääasiassa halvaan ja tehokkaaseen sinkkisulfidiin, mutta väritelevision vihreänä jauheena on aina käytetty terbiumjauhetta, kuten Y2SiO5: Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5012: Tb3+ ja LaOBr: Tb3+. Suurinäyttöisen teräväpiirtotelevision (HDTV) kehittämisen myötä kehitetään myös korkean suorituskyvyn vihreitä fluoresoivia jauheita CRT-laitteita varten. Esimerkiksi ulkomailla on kehitetty hybridi vihreä fluoresoiva jauhe, joka koostuu Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, LaOCl: Tb3+ ja Y2SiO5: Tb3+, joilla on erinomainen luminesenssitehokkuus suurella virrantiheydellä.
Perinteinen röntgenfluoresoiva jauhe on kalsiumvolframaattia. 1970- ja 1980-luvuilla kehitettiin harvinaisten maametallien fluoresoivia jauheita herkistysseuloihin, kuten terbiumaktivoitu lantaanisulfidioksidi, terbiumaktivoitu lantaanibromidioksidi (vihreisiin näyttöihin) ja terbiumaktivoitu yttriumsulfidioksidi. Kalsiumvolframiin verrattuna harvinaisten maametallien fluoresoiva jauhe voi lyhentää potilaiden röntgensäteilytysaikaa 80 %, parantaa röntgenfilmien resoluutiota, pidentää röntgenputkien käyttöikää ja vähentää energiankulutusta. Terbiumia käytetään myös fluoresoivana jauheaktivaattorina lääketieteellisissä röntgensäteiden tehostusnäytöissä, mikä voi parantaa huomattavasti röntgensäteen muuntamisen herkkyyttä optisiksi kuviksi, parantaa röntgenfilmien selkeyttä ja vähentää huomattavasti röntgensäteilyn altistusannosta. säteet ihmiskehoon (yli 50 %).
TerbiumKäytetään myös aktivoijana sinisellä valolla virittyneessä valkoisessa LED-loisteaineessa uuteen puolijohdevalaistukseen. Sitä voidaan käyttää terbium-alumiinimagneettisten optisten kideloisteaineiden valmistukseen käyttämällä sinisiä valodiodeja viritysvalon lähteinä, ja syntynyt fluoresenssi sekoitetaan viritysvaloon puhtaan valkoisen valon tuottamiseksi.
Terbiumista valmistettuihin elektroluminoiviin materiaaleihin kuuluu pääasiassa sinkkisulfidivihreä fluoresoiva jauhe, jonka aktivaattorina on terbium. Ultraviolettisäteilyssä terbiumin orgaaniset kompleksit voivat säteillä voimakasta vihreää fluoresenssia ja niitä voidaan käyttää ohuina kalvoina elektroluminesoivina materiaaleina. Vaikka harvinaisten maametallien orgaanisten kompleksisten elektroluminesoivien ohutkalvojen tutkimuksessa on edistytty merkittävästi, käytännöllisyyteen on vielä jonkin verran eroa, ja harvinaisten maametallien orgaanisten kompleksien elektroluminesoivien ohutkalvojen ja laitteiden tutkimus on edelleen syvällistä.
Terbiumin fluoresenssiominaisuuksia käytetään myös fluoresenssikoettimina. Ofloksasiiniterbium (Tb3+) -kompleksin ja deoksiribonukleiinihapon (DNA) välistä vuorovaikutusta tutkittiin käyttämällä fluoresenssi- ja absorptiospektrejä, kuten ofloksasiiniterbiumin (Tb3+) fluoresenssikoetinta. Tulokset osoittivat, että ofloksasiini Tb3+ -koetin voi muodostaa urasitoutumisen DNA-molekyyleihin ja deoksiribonukleiinihappo voi merkittävästi parantaa ofloksasiini Tb3+ -järjestelmän fluoresenssia. Tämän muutoksen perusteella voidaan määrittää deoksiribonukleiinihappo.
Magnetooptisille materiaaleille
Faraday-vaikutteisia materiaaleja, jotka tunnetaan myös nimellä magneto-optiset materiaalit, käytetään laajalti lasereissa ja muissa optisissa laitteissa. Magnetooptisia materiaaleja on kahta yleistä: magnetooptiset kiteet ja magnetooptinen lasi. Niistä magneto-optisilla kiteillä (kuten yttrium-rautagranaatti ja terbiumgalliumgranaatti) on säädettävä toimintataajuus ja korkea lämpöstabiilisuus, mutta ne ovat kalliita ja vaikeita valmistaa. Lisäksi monilla magneto-optisilla kiteillä, joilla on korkea Faraday-kiertokulma, on korkea absorptio lyhyellä aaltoalueella, mikä rajoittaa niiden käyttöä. Magnetooptisiin kiteisiin verrattuna optisen magnetolasin etuna on korkea läpäisykyky ja se on helppo tehdä suuriksi lohkoiksi tai kuiduiksi. Tällä hetkellä korkean Faraday-efektin omaavat magneto-optiset lasit ovat pääasiassa harvinaisten maametallien ioneilla seostettuja laseja.
Käytetään magneto-optisiin tallennusmateriaaleihin
Viime vuosina multimedian ja toimistoautomaation nopean kehityksen myötä uusien suurikapasiteettisten magneettilevyjen kysyntä on kasvanut. Amorfisia metalliterbium-siirtymämetalliseoksia ohuita kalvoja on käytetty korkean suorituskyvyn optisten magnetolevyjen valmistukseen. Niistä TbFeCo-seosohutkalvolla on paras suorituskyky. Terbiumpohjaisia magneto-optisia materiaaleja on tuotettu suuressa mittakaavassa ja niistä valmistettuja magneto-optisia levyjä käytetään tietokoneen tallennuskomponentteina, joiden tallennuskapasiteetti on kasvanut 10-15-kertaiseksi. Niiden etuna on suuri kapasiteetti ja nopea pääsynopeus, ja ne voidaan pyyhkiä ja pinnoittaa kymmeniä tuhansia kertoja, kun niitä käytetään suuritiheyksisille optisille levyille. Ne ovat tärkeitä materiaaleja sähköisessä tiedontallennustekniikassa. Yleisimmin käytetty magneto-optinen materiaali näkyvällä ja lähi-infrapunakaistalla on Terbium Gallium Garnet (TGG) -yksikide, joka on paras magneto-optinen materiaali Faradayn rotaattorien ja isolaattorien valmistukseen.
Magneto-optiselle lasille
Faradayn magneto-optisella lasilla on hyvä läpinäkyvyys ja isotropia näkyvällä ja infrapuna-alueella, ja se voi muodostaa erilaisia monimutkaisia muotoja. Siitä on helppo valmistaa suurikokoisia tuotteita ja se voidaan vetää optisiin kuituihin. Siksi sillä on laajat sovellusmahdollisuudet magnetooptisissa laitteissa, kuten magneetti-optisissa isolaattoreissa, magnetooptisissa modulaattoreissa ja kuituoptisissa virta-antureissa. Suuren magneettimomenttinsa ja pienen absorptiokertoimensa ansiosta näkyvällä ja infrapuna-alueella Tb3+-ioneista on tullut yleisesti käytettyjä harvinaisten maametallien ioneja magnetooptisissa laseissa.
Terbium dysprosium ferromagnetostriktiivinen metalliseos
1900-luvun lopulla maailman teknologisen vallankumouksen jatkuvan syvenemisen myötä uusia harvinaisten maametallien käyttömateriaaleja ilmaantui nopeasti. Vuonna 1984 Iowa State University, Yhdysvaltain energiaministeriön Amesin laboratorio ja US Navy Surface Weapons Research Center (josta myöhemmin perustetun Edge Technology Corporationin (ET REMA) päähenkilöstö tuli) tekivät yhteistyötä kehittääkseen uuden harvinaisen älykäs maamateriaali, nimittäin terbiumdysprosium, ferromagneettinen magnetostriktiivinen materiaali. Tällä uudella älykkäällä materiaalilla on erinomaiset ominaisuudet muuttaa sähköenergia nopeasti mekaaniseksi energiaksi. Tästä jättimäisestä magnetostriktiivisesta materiaalista valmistetut vedenalaiset ja sähköakustiset muuntimet on konfiguroitu onnistuneesti laivaston laitteisiin, öljylähteiden ilmaisinkaiuttimiin, melun- ja tärinänhallintajärjestelmiin sekä valtamerten tutkimus- ja maanalaisiin viestintäjärjestelmiin. Siksi heti kun terbium dysprosium -rauta jättimäinen magnetostriktiivinen materiaali syntyi, se sai laajaa huomiota teollisuusmaissa ympäri maailmaa. Edge Technologies Yhdysvalloissa aloitti terbium-dysprosium-raudan jättimäisten magnetostriktiivisten materiaalien valmistamisen vuonna 1989 ja nimesi ne Terfenol D:ksi. Myöhemmin Ruotsi, Japani, Venäjä, Iso-Britannia ja Australia kehittivät myös terbium dysprosium-rauta jättimäisiä magnetostriktiivisia materiaaleja.
Tämän materiaalin kehityksen historiasta Yhdysvalloissa sekä materiaalin keksiminen että sen varhaiset monopolistiset sovellukset liittyvät suoraan sotateollisuuteen (kuten laivasto). Vaikka Kiinan sotilas- ja puolustusosastot vahvistavat vähitellen ymmärrystään tästä materiaalista. Kiinan kokonaisvaltaisen kansallisen vahvuuden merkittävän lisääntyessä 2000-luvun sotilaallisen kilpailustrategian saavuttaminen ja varustetasojen parantaminen ovat kuitenkin erittäin kiireellisiä. Siksi terbium-dysprosium-raudan jättimäisten magnetostriktiivisten materiaalien laaja käyttö sotilas- ja maanpuolustusosastoissa on historiallinen välttämättömyys.
Lyhyesti sanottuna monia erinomaisia ominaisuuksiaterbiumtekevät siitä välttämättömän osan monissa toiminnallisissa materiaaleissa ja korvaamattoman aseman joillakin sovellusalueilla. Terbiumin korkean hinnan vuoksi ihmiset ovat kuitenkin tutkineet, kuinka vältetään ja minimoidaan terbiumin käyttöä tuotantokustannusten alentamiseksi. Esimerkiksi harvinaisten maametallien magneto-optisissa materiaaleissa tulisi myös käyttää mahdollisimman paljon edullista dysprosium-rautakobolttia tai gadoliniumterbiumkobolttia; Yritä vähentää käytettävän vihreän fluoresoivan jauheen terbiumpitoisuutta. Hinnasta on tullut tärkeä tekijä, joka rajoittaa terbiumin laajaa käyttöä. Mutta monet toiminnalliset materiaalit eivät tule toimeen ilman sitä, joten meidän on noudatettava periaatetta "käyttää hyvää terästä terässä" ja yritettävä säästää terbiumin käyttöä mahdollisimman paljon.
Postitusaika: 07.08.2023