Nanomatériaux de terres rares Les éléments de terres rares ont une structure électronique unique de sous-couche 4f, un grand moment magnétique atomique, un fort couplage spin-orbite et d'autres caractéristiques, ce qui se traduit par des propriétés optiques, électriques, magnétiques et autres très riches. Ce sont des matériaux stratégiques indispensables aux pays du monde entier pour transformer les industries traditionnelles et développer la haute technologie, et sont connus comme le « trésor des nouveaux matériaux ».
En plus de ses applications dans des domaines traditionnels tels que les machines métallurgiques, la pétrochimie, la vitrocéramique et les textiles légers,terres raressont également des matériaux de support clés dans des domaines émergents tels que l'énergie propre, les gros véhicules, les véhicules à énergie nouvelle, l'éclairage à semi-conducteurs et les nouveaux écrans, étroitement liés à la vie humaine.
Après des décennies de développement, la recherche sur les terres rares s'est déplacée de la fusion et de la séparation de terres rares uniques de haute pureté vers les applications de haute technologie des terres rares dans le magnétisme, l'optique, l'électricité, le stockage d'énergie, la catalyse, la biomédecine, et d'autres domaines. D'une part, il y a une tendance plus grande vers les matériaux composites de terres rares dans le système matériel ; En revanche, elle se concentre davantage sur les matériaux cristallins fonctionnels de faible dimension en termes de morphologie. Surtout avec le développement de la nanoscience moderne, combinant les effets de petite taille, les effets quantiques, les effets de surface et les effets d'interface des nanomatériaux avec les caractéristiques uniques de structure de couche électronique des éléments des terres rares, les nanomatériaux des terres rares présentent de nombreuses propriétés nouvelles différentes des matériaux traditionnels, maximisant l'excellente performance des matériaux de terres rares, et étendre encore son application dans les domaines des matériaux traditionnels et de la nouvelle fabrication de haute technologie.
À l'heure actuelle, il existe principalement les nanomatériaux de terres rares très prometteurs suivants, à savoir les matériaux nanoluminescents de terres rares, les matériaux nanocatalytiques de terres rares, les matériaux nanomagnétiques de terres rares,nanooxyde de cériummatériaux de protection contre les ultraviolets et autres matériaux nano fonctionnels.
N°1Matériaux nanoluminescents de terres rares
01. Nanomatériaux luminescents hybrides organiques-inorganiques de terres rares
Les matériaux composites combinent différentes unités fonctionnelles au niveau moléculaire pour réaliser des fonctions complémentaires et optimisées. Les matériaux hybrides organiques et inorganiques ont les fonctions de composants organiques et inorganiques, présentant une bonne stabilité mécanique, une bonne flexibilité, une stabilité thermique et une excellente aptitude au traitement.
Terre rareles complexes présentent de nombreux avantages, tels qu'une pureté de couleur élevée, une longue durée de vie de l'état excité, un rendement quantique élevé et de riches raies de spectre d'émission. Ils sont largement utilisés dans de nombreux domaines, tels que l'affichage, l'amplification de guides d'ondes optiques, les lasers à solide, les biomarqueurs et la lutte contre la contrefaçon. Cependant, la faible stabilité photothermique et la mauvaise aptitude au traitement des complexes de terres rares entravent sérieusement leur application et leur promotion. La combinaison de complexes de terres rares avec des matrices inorganiques présentant de bonnes propriétés mécaniques et stabilité est un moyen efficace d'améliorer les propriétés luminescentes des complexes de terres rares.
Depuis le développement du matériau hybride inorganique organique de terres rares, leurs tendances de développement présentent les caractéristiques suivantes :
① Le matériau hybride obtenu par la méthode de dopage chimique présente des composants actifs stables, une quantité de dopage élevée et une distribution uniforme des composants ;
② Passer de matériaux fonctionnels uniques à des matériaux multifonctionnels, développer des matériaux multifonctionnels pour rendre leurs applications plus étendues ;
③ La matrice est diversifiée, allant principalement de la silice à divers substrats tels que le dioxyde de titane, les polymères organiques, les argiles et les liquides ioniques.
02. Matériau luminescent à base de terres rares à LED blanches
Par rapport aux technologies d'éclairage existantes, les produits d'éclairage à semi-conducteurs tels que les diodes électroluminescentes (DEL) présentent des avantages tels qu'une longue durée de vie, une faible consommation d'énergie, une efficacité lumineuse élevée, un fonctionnement sans mercure, sans UV et stable. Elles sont considérées comme la « source lumineuse de quatrième génération » après les lampes à incandescence, les lampes fluorescentes et les lampes à décharge de gaz (HID) à haute résistance.
La LED blanche est composée de puces, de substrats, de phosphores et de pilotes. La poudre fluorescente de terres rares joue un rôle crucial dans les performances des LED blanches. Ces dernières années, de nombreux travaux de recherche ont été menés sur les luminophores LED blancs et d'excellents progrès ont été réalisés :
① Le développement d'un nouveau type de phosphore excité par la LED bleue (460 m) a mené des recherches sur le dopage et la modification du YAO2Ce (YAG : Ce) utilisé dans les puces LED bleues pour améliorer l'efficacité lumineuse et le rendu des couleurs ;
② Le développement de nouvelles poudres fluorescentes excitées par la lumière ultraviolette (400 m) ou la lumière ultraviolette (360 mm) a systématiquement étudié la composition, la structure et les caractéristiques spectrales des poudres fluorescentes rouge et vert bleu, ainsi que les différents ratios des trois poudres fluorescentes pour obtenir des LED blanches avec différentes températures de couleur ;
③ D'autres travaux ont été menés sur les questions scientifiques fondamentales liées au processus de préparation de la poudre fluorescente, telles que l'influence du processus de préparation sur le flux, afin de garantir la qualité et la stabilité de la poudre fluorescente.
De plus, les LED à lumière blanche adoptent principalement un processus d'emballage mixte de poudre fluorescente et de silicone. En raison de la mauvaise conductivité thermique de la poudre fluorescente, l'appareil chauffera en raison d'un temps de travail prolongé, entraînant un vieillissement du silicone et raccourcissant la durée de vie de l'appareil. Ce problème est particulièrement grave dans le cas des LED à lumière blanche haute puissance. L'emballage à distance est un moyen de résoudre ce problème en fixant la poudre fluorescente au substrat et en la séparant de la source de lumière LED bleue, réduisant ainsi l'impact de la chaleur générée par la puce sur les performances luminescentes de la poudre fluorescente. Si les céramiques fluorescentes aux terres rares présentent les caractéristiques d'une conductivité thermique élevée, d'une résistance élevée à la corrosion, d'une stabilité élevée et d'excellentes performances de sortie optique, elles peuvent mieux répondre aux exigences d'application des LED blanches haute puissance à haute densité énergétique. Les micronanopoudres à haute activité de frittage et à forte dispersion sont devenues une condition préalable importante pour la préparation de céramiques fonctionnelles optiques de terres rares à haute transparence avec des performances de sortie optique élevées.
03. Nanomatériaux luminescents à conversion ascendante de terres rares
La luminescence de conversion ascendante est un type spécial de processus de luminescence caractérisé par l'absorption de plusieurs photons de faible énergie par des matériaux luminescents et la génération d'une émission de photons de haute énergie. Par rapport aux molécules de colorants organiques traditionnelles ou aux points quantiques, les nanomatériaux luminescents à conversion ascendante de terres rares présentent de nombreux avantages tels qu'un grand décalage anti-Stokes, une bande d'émission étroite, une bonne stabilité, une faible toxicité, une profondeur de pénétration tissulaire élevée et une faible interférence de fluorescence spontanée. Ils ont de larges perspectives d’application dans le domaine biomédical.
Ces dernières années, les nanomatériaux luminescents à conversion ascendante de terres rares ont fait des progrès significatifs dans la synthèse, la modification de surface, la fonctionnalisation de surface et les applications biomédicales. Les gens améliorent les performances de luminescence des matériaux en optimisant leur composition, leur état de phase, leur taille, etc. à l'échelle nanométrique, et en combinant la structure noyau/coquille pour réduire le centre d'extinction de la luminescence, afin d'augmenter la probabilité de transition. Par modification chimique, établir des technologies présentant une bonne biocompatibilité pour réduire la toxicité, et développer des méthodes d'imagerie pour la conversion ascendante de cellules vivantes luminescentes et in vivo ; Développer des méthodes de couplage biologique efficaces et sûres basées sur les besoins de différentes applications (cellules de détection immunitaire, imagerie de fluorescence in vivo, thérapie photodynamique, thérapie photothermique, médicaments à libération photo contrôlée, etc.).
Cette étude présente un énorme potentiel d'application et des avantages économiques, et revêt une importance scientifique importante pour le développement de la nanomédecine, la promotion de la santé humaine et le progrès social.
No.2 Matériaux nanomagnétiques de terres rares
Les matériaux à aimants permanents de terres rares sont passés par trois étapes de développement : SmCo5, Sm2Co7 et Nd2Fe14B. En tant que poudre magnétique NdFeB à trempe rapide pour les matériaux à aimants permanents liés, la taille des grains varie de 20 nm à 50 nm, ce qui en fait un matériau à aimant permanent nanocristallin typique de terres rares.
Les matériaux nanomagnétiques de terres rares présentent les caractéristiques d'une petite taille, d'une structure à domaine unique et d'une coercivité élevée. L'utilisation de matériaux d'enregistrement magnétique peut améliorer le rapport signal/bruit et la qualité de l'image. En raison de sa petite taille et de sa grande fiabilité, son utilisation dans les systèmes de micromoteurs constitue une direction importante pour le développement de la nouvelle génération de moteurs aéronautiques, aérospatiaux et marins. Pour la mémoire magnétique, le fluide magnétique et les matériaux à résistance magnétique géante, les performances peuvent être considérablement améliorées, rendant les appareils performants et miniaturisés.
N°3Nano de terres raresmatériaux catalytiques
Les matériaux catalytiques de terres rares impliquent presque toutes les réactions catalytiques. En raison des effets de surface, des effets de volume et des effets de taille quantique, la nanotechnologie des terres rares attire de plus en plus l’attention. Dans de nombreuses réactions chimiques, des catalyseurs de terres rares sont utilisés. Si des nanocatalyseurs de terres rares sont utilisés, l'activité catalytique et l'efficacité seront grandement améliorées.
Les nanocatalyseurs de terres rares sont généralement utilisés dans le craquage catalytique du pétrole et le traitement de purification des gaz d'échappement des automobiles. Les matériaux nanocatalytiques de terres rares les plus couramment utilisés sontCeO2etLa2O3, qui peuvent être utilisés comme catalyseurs et promoteurs, ainsi que comme supports de catalyseur.
N°4Nano oxyde de cériummatériau de protection contre les ultraviolets
Le nanooxyde de cérium est connu comme l'agent d'isolation ultraviolette de troisième génération, avec un bon effet d'isolation et une transmission élevée. En cosmétique, la nanoceria à faible activité catalytique doit être utilisée comme agent isolant contre les UV. Par conséquent, l’attention du marché et la reconnaissance des matériaux de protection contre les ultraviolets à base d’oxyde de cérium nano sont élevées. L'amélioration continue de l'intégration des circuits intégrés nécessite de nouveaux matériaux pour les processus de fabrication des puces de circuits intégrés. Les nouveaux matériaux ont des exigences plus élevées en matière de fluides de polissage, et les fluides de polissage des semi-conducteurs aux terres rares doivent répondre à cette exigence, avec une vitesse de polissage plus rapide et un volume de polissage moindre. Les matériaux de polissage nano-terres rares ont un vaste marché.
L'augmentation significative du nombre de propriétaires de voitures a provoqué une grave pollution de l'air, et l'installation de catalyseurs de purification des gaz d'échappement des voitures est le moyen le plus efficace de contrôler la pollution des gaz d'échappement. Les oxydes composites nano-cérium-zirconium jouent un rôle important dans l'amélioration de la qualité de la purification des gaz résiduaires.
No.5 Autres matériaux nano fonctionnels
01. Matériaux nano-céramiques de terres rares
La poudre nano-céramique peut réduire considérablement la température de frittage, qui est de 200 ℃ ~ 300 ℃ inférieure à celle de la poudre non nano-céramique de même composition. L'ajout de nano CeO2 à la céramique peut réduire la température de frittage, inhiber la croissance du réseau et améliorer la densité de la céramique. Ajout d'éléments de terres rares tels queY2O3, CeO2, or La2O3 to ZrO2peut empêcher la transformation de phase à haute température et la fragilisation du ZrO2, et obtenir des matériaux structurels en céramique renforcés par transformation de phase ZrO2.
Céramiques électroniques (capteurs électroniques, matériaux PTC, matériaux micro-ondes, condensateurs, thermistances, etc.) préparées à partir de CeO2, Y2O3 ultrafins ou nanométriques,Nd2O3, Sm2O3, etc. ont des propriétés électriques, thermiques et de stabilité améliorées.
L'ajout de matériaux composites photocatalytiques activés par des terres rares à la formule de glaçage peut préparer des céramiques antibactériennes de terres rares.
02. Matériaux à couche mince nano de terres rares
Avec le développement de la science et de la technologie, les exigences de performance des produits deviennent de plus en plus strictes, nécessitant des produits ultra-fins, ultra-minces, ultra-haute densité et ultra-remplissage. Actuellement, trois grandes catégories de nanofilms de terres rares sont développées : les nanofilms complexes de terres rares, les nanofilms d'oxyde de terres rares et les films de nanoalliages de terres rares. Les nanofilms de terres rares jouent également un rôle important dans l’industrie de l’information, la catalyse, l’énergie, les transports et la médecine du vivant.
Conclusion
La Chine est un pays majeur en ressources de terres rares. Le développement et l’application de nanomatériaux de terres rares constituent une nouvelle façon d’utiliser efficacement les ressources des terres rares. Afin d'élargir le champ d'application des terres rares et de promouvoir le développement de nouveaux matériaux fonctionnels, un nouveau système théorique devrait être établi dans la théorie des matériaux pour répondre aux besoins de recherche à l'échelle nanométrique, permettre aux nanomatériaux de terres rares d'avoir de meilleures performances et de faire émerger de nouvelles propriétés et fonctions possibles.
Heure de publication : 29 mai 2023