Materiais militares de terras raras: terbio de terras raras

Elementos de terras rarasson indispensables para o desenvolvemento de alta tecnoloxía, como novas enerxías e materiais, e teñen un amplo valor de aplicación en campos como o aeroespacial, a defensa nacional e a industria militar. Os resultados da guerra moderna indican que as armas de terras raras dominan o campo de batalla, as vantaxes tecnolóxicas das terras raras representan vantaxes tecnolóxicas militares e ter recursos está garantido. Polo tanto, as terras raras tamén se converteron en recursos estratéxicos polos que compiten as principais economías de todo o mundo, e as estratexias clave de materias primas, como as terras raras, adoitan ascender ás estratexias nacionais. Europa, Xapón, Estados Unidos e outros países e rexións prestan máis atención aos materiais clave como as terras raras. En 2008, os materiais de terras raras foron catalogados como "estratexia de materiais clave" polo Departamento de Enerxía dos Estados Unidos; A principios de 2010, a Unión Europea anunciou o establecemento dunha reserva estratéxica de terras raras; En 2007, o Ministerio xaponés de Educación, Cultura, Ciencia e Tecnoloxía, así como o Ministerio de Economía, Industria e Tecnoloxía, xa propuxeran o "Plan Estratéxico de Elementos" e o plan "Materiais Alternativos de Metal Raro". Tomaron medidas e políticas continuas en reservas de recursos, progreso tecnolóxico, adquisición de recursos e busca de materiais alternativos. A partir deste artigo, o editor presentará en detalle as importantes e incluso indispensables misións e papeis de desenvolvemento histórico destes elementos de terras raras.

Terbio pertence á categoría de terras raras pesadas, cunha baixa abundancia na codia terrestre de só 1,1 ppm.Óxido de terbiorepresenta menos do 0,01% do total de terras raras. Incluso no mineral pesado de terras raras de tipo iónico alto con maior contido de terbio, o contido de terbio só representa o 1,1-1,2% do total de terras raras, o que indica que pertence á categoría "nobre" de elementos de terras raras. O terbio é un metal gris prata con ductilidade e textura relativamente suave, que se pode cortar cun coitelo; Punto de fusión 1360 ℃, punto de ebulición 3123 ℃, densidade 8229 4 kg/m3. Durante máis de 100 anos desde o descubrimento do terbio en 1843, a súa escaseza e valor impediron durante moito tempo a súa aplicación práctica. Só nos últimos 30 anos o terbio demostrou o seu talento único.

O descubrimento do terbio

Durante o mesmo período en quelantanofoi descuberto, Karl G. Mosander de Suecia analizou o descuberto inicialmenteitrioe publicou un informe en 1842, aclarando que a terra de itrio descuberta inicialmente non era un só óxido elemental, senón un óxido de tres elementos. En 1843, Mossander descubriu o elemento terbio mediante as súas investigacións sobre a terra de itrio. Aínda lle nomeou a un deles terra de itrio e a un delesóxido de erbio. Non foi ata 1877 cando recibiu o nome oficial de terbio, co símbolo do elemento Tb. O seu nome provén da mesma fonte que o itrio, orixinario da aldea de Ytterby preto de Estocolmo, Suecia, onde se descubriu por primeira vez o mineral de itrio. O descubrimento do terbio e outros dous elementos, o lantano e o erbio, abriu a segunda porta ao descubrimento de elementos de terras raras, marcando a segunda etapa do seu descubrimento. Foi purificado por primeira vez por G. Urban en 1905.

Mossander

Aplicación de terbio

A aplicación deterbioimplica principalmente campos de alta tecnoloxía, que son proxectos de vangarda intensivos en tecnoloxía e coñecemento, así como proxectos con importantes beneficios económicos, con perspectivas de desenvolvemento atractivas. As principais áreas de aplicación inclúen: (1) ser utilizada en forma de mesturas de terras raras. Por exemplo, úsase como fertilizante composto de terras raras e aditivo alimentario para a agricultura. (2) Activador para po verde en tres po fluorescentes primarios. Os materiais optoelectrónicos modernos requiren o uso de tres cores básicas de fósforo, a saber, vermello, verde e azul, que se poden usar para sintetizar varias cores. E o terbio é un compoñente indispensable en moitos po fluorescentes verdes de alta calidade. (3) Usado como material de almacenamento óptico magneto. Empregáronse películas finas de aleación de metal de transición de terbio de metal amorfo para fabricar discos magneto ópticos de alto rendemento. (4) Fabricación de vidro óptico magneto. O vidro rotatorio de Faraday que contén terbio é un material clave para a fabricación de rotadores, illantes e circuladores en tecnoloxía láser. (5) O desenvolvemento e desenvolvemento da aliaxe ferromagnetoestrictiva de terbio disprosio (TerFenol) abriu novas aplicacións para o terbio.

 Para a agricultura e a gandaría

Terbio de terras raraspode mellorar a calidade dos cultivos e aumentar a taxa de fotosíntese dentro dun determinado intervalo de concentración. Os complexos de terbio teñen unha alta actividade biolóxica e os complexos ternarios de terbio, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3-3H2O, teñen bos efectos antibacterianos e bactericidas sobre Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis e Escherichia coli, con antibacterianos de amplo espectro. propiedades. O estudo destes complexos proporciona unha nova dirección de investigación para os fármacos bactericidas modernos.

Usado no campo da luminiscencia

Os materiais optoelectrónicos modernos requiren o uso de tres cores básicas de fósforo, a saber, vermello, verde e azul, que se poden usar para sintetizar varias cores. E o terbio é un compoñente indispensable en moitos po fluorescentes verdes de alta calidade. Se o nacemento do po fluorescente vermello da TV en cor de terras raras estimulou a demanda de itrio e europio, entón a aplicación e desenvolvemento de terbio foron promovidos por po fluorescente verde de tres cores primarias de terras raras para lámpadas. A principios dos anos 80, Philips inventou a primeira lámpada fluorescente compacta de aforro enerxético do mundo e promoveua rapidamente a nivel mundial. Os ións Tb3+ poden emitir luz verde cunha lonxitude de onda de 545 nm, e case todos os po fluorescentes verdes de terras raras usan terbio como activador.

O po verde fluorescente usado para tubos de raios catódicos de TV en cor (CRT) sempre estivo baseado principalmente en sulfuro de cinc barato e eficiente, pero o po de terbio sempre se utilizou como po verde de proxección de TV en cor, como Y2SiO5: Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, e LaOBr: Tb3+. Co desenvolvemento da televisión de alta definición de pantalla grande (HDTV), tamén se están a desenvolver po fluorescente verde de alto rendemento para CRT. Por exemplo, desenvolveuse no estranxeiro un po fluorescente verde híbrido, composto por Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, LaOCl: Tb3+ e Y2SiO5: Tb3+, que teñen unha excelente eficiencia de luminiscencia a alta densidade de corrente.

O po fluorescente de raios X tradicional é o tungstato de calcio. Nas décadas de 1970 e 1980 desenvolvéronse po fluorescente de terras raras para pantallas de sensibilización, como o óxido de sulfuro de lantano activado con terbio, o óxido de bromuro de lantano activado con terbio (para pantallas verdes) e o óxido de sulfuro de itrio activado con terbio. En comparación co tungstato de calcio, o po fluorescente de terras raras pode reducir o tempo de irradiación de raios X para os pacientes nun 80%, mellorar a resolución das películas de raios X, prolongar a vida útil dos tubos de raios X e reducir o consumo de enerxía. O terbio tamén se usa como activador de po fluorescente para pantallas de mellora de raios X médicos, o que pode mellorar moito a sensibilidade da conversión de raios X en imaxes ópticas, mellorar a claridade das películas de raios X e reducir en gran medida a dose de exposición de raios X. raios ao corpo humano (máis do 50%).

Terbiotamén se usa como activador no fósforo LED branco excitado pola luz azul para a iluminación de novos semicondutores. Pódese usar para producir fósforos de cristal óptico magneto de aluminio de terbio, utilizando díodos emisores de luz azul como fontes de luz de excitación, e a fluorescencia xerada mestúrase coa luz de excitación para producir luz branca pura.

Os materiais electroluminiscentes feitos de terbio inclúen principalmente po fluorescente verde de sulfuro de cinc co terbio como activador. Baixo a irradiación ultravioleta, os complexos orgánicos de terbio poden emitir unha forte fluorescencia verde e poden usarse como materiais electroluminiscentes de película fina. Aínda que se logrou un progreso significativo no estudo das películas finas electroluminiscentes de complexos orgánicos de terras raras, aínda hai unha certa brecha na práctica, e a investigación sobre películas e dispositivos electroluminiscentes de complexos orgánicos de terras raras aínda está en profundidade.

As características de fluorescencia do terbio tamén se usan como sondas de fluorescencia. A interacción entre o complexo de ofloxacina terbio (Tb3+) e o ácido desoxirribonucleico (ADN) estudouse mediante espectros de fluorescencia e absorción, como a sonda de fluorescencia de ofloxacina terbio (Tb3+). Os resultados mostraron que a sonda de ofloxacina Tb3+ pode formar un suco de unión coas moléculas de ADN e o ácido desoxirribonucleico pode mellorar significativamente a fluorescencia do sistema de ofloxacina Tb3+. En base a este cambio, pódese determinar o ácido desoxirribonucleico.

Para materiais magneto ópticos

Os materiais con efecto Faraday, tamén coñecidos como materiais magneto-ópticos, son amplamente utilizados en láseres e outros dispositivos ópticos. Hai dous tipos comúns de materiais magneto ópticos: cristais magneto ópticos e vidro magneto óptico. Entre eles, os cristais magneto-ópticos (como o granate de ferro itrio e o granate de terbio galio) teñen as vantaxes dunha frecuencia de operación axustable e unha alta estabilidade térmica, pero son caros e difíciles de fabricar. Ademais, moitos cristais magneto-ópticos con altos ángulos de rotación de Faraday teñen unha alta absorción no rango de onda curta, o que limita o seu uso. En comparación cos cristais magneto ópticos, o vidro magneto óptico ten a vantaxe dunha alta transmitancia e é fácil de converter en grandes bloques ou fibras. Na actualidade, os lentes magneto-ópticos con alto efecto Faraday son principalmente lentes dopados con ións de terras raras.

Usado para materiais de almacenamento magneto óptico

Nos últimos anos, co rápido desenvolvemento da multimedia e da ofimática, a demanda de novos discos magnéticos de alta capacidade foi aumentando. Empregáronse películas finas de aleación de metal de transición de terbio de metal amorfo para fabricar discos magneto ópticos de alto rendemento. Entre eles, a película fina de aliaxe TbFeCo ten o mellor rendemento. Producíronse a gran escala materiais magneto-ópticos a base de terbio, e os discos magneto-ópticos feitos con eles utilízanse como compoñentes de almacenamento de ordenadores, aumentando a capacidade de almacenamento entre 10 e 15 veces. Teñen as vantaxes dunha gran capacidade e unha velocidade de acceso rápida e pódense limpar e revestir decenas de miles de veces cando se usan para discos ópticos de alta densidade. Son materiais importantes na tecnoloxía de almacenamento de información electrónica. O material magneto-óptico máis utilizado nas bandas visibles e do infravermello próximo é o monocristal de terbio galio granate (TGG), que é o mellor material magneto-óptico para fabricar rotadores e illantes de Faraday.

Para vidro óptico magneto

O vidro óptico magneto de Faraday ten unha boa transparencia e isotropía nas rexións visible e infravermella e pode formar varias formas complexas. Producir produtos de gran tamaño é doado e pódense incorporar a fibras ópticas. Polo tanto, ten amplas perspectivas de aplicación en dispositivos magneto-ópticos como illadores magneto-ópticos, moduladores magneto-ópticos e sensores de corrente de fibra óptica. Debido ao seu gran momento magnético e ao seu pequeno coeficiente de absorción no rango visible e infravermello, os ións Tb3+ convertéronse en ións de terras raras de uso común en lentes magnetoópticos.

Aliaxe ferromagnetoestrictiva de terbio disprosio

A finais do século XX, co continuo afondamento da revolución tecnolóxica mundial, xurdiron rapidamente novos materiais de aplicación de terras raras. En 1984, a Universidade Estatal de Iowa, o Laboratorio de Ames do Departamento de Enerxía dos Estados Unidos e o Centro de Investigación de Armas de Superficie da Mariña dos Estados Unidos (do que procedeu o persoal principal da Corporación Tecnolóxica de Edge (ET REMA) establecida máis tarde) colaboraron para desenvolver un novo sistema raro. material intelixente terrestre, é dicir, material magnetostrictivo ferromagnético de terbio disprosio. Este novo material intelixente ten excelentes características para converter rapidamente a enerxía eléctrica en enerxía mecánica. Os transdutores subacuáticos e electroacústicos feitos con este material magnetoestrictivo xigante configuráronse con éxito en equipos navais, altofalantes de detección de pozos de petróleo, sistemas de control de ruído e vibración e sistemas de exploración oceánica e comunicación subterránea. Polo tanto, tan pronto como naceu o material magnetostrictivo xigante de ferro de terbio disprosio, recibiu unha ampla atención dos países industrializados de todo o mundo. Edge Technologies nos Estados Unidos comezou a producir materiais magnetostrictivos de ferro de terbio disprosio xigante en 1989 e chamounos Terfenol D. Posteriormente, Suecia, Xapón, Rusia, Reino Unido e Australia tamén desenvolveron materiais magnetostrictivos de ferro de terbio disprosio xigante.

A partir da historia do desenvolvemento deste material nos Estados Unidos, tanto a invención do material como as súas primeiras aplicacións monopolísticas están directamente relacionadas coa industria militar (como a mariña). Aínda que os departamentos militares e de defensa de China están reforzando gradualmente a súa comprensión deste material. Non obstante, coa mellora significativa da forza nacional global de China, a demanda de acadar unha estratexia militar competitiva do século XXI e mellorar os niveis de equipamento será definitivamente moi urxente. Polo tanto, o uso xeneralizado de materiais magnetostrictivos xigantes de ferro de terbio disprosio por parte dos departamentos militares e de defensa nacional será unha necesidade histórica.

En resumo, as moitas excelentes propiedades deterbioconvérteno nun membro indispensable de moitos materiais funcionais e nunha posición insubstituíble nalgúns campos de aplicación. Non obstante, debido ao elevado prezo do terbio, a xente estuda como evitar e minimizar o uso do terbio para reducir os custos de produción. Por exemplo, os materiais magneto-ópticos de terras raras tamén deberían usar cobalto de ferro disprosio de baixo custo ou cobalto de gadolinio terbio na medida do posible; Intente reducir o contido de terbio no po fluorescente verde que se debe usar. O prezo converteuse nun factor importante que restrinxe o uso xeneralizado de terbio. Pero moitos materiais funcionais non poden prescindir del, polo que temos que adherirnos ao principio de "utilizar un bo aceiro na lámina" e tentar aforrar o uso de terbio na medida do posible.