Materiali militari delle terre rare: terbio delle terre rare

Elementi delle terre raresono indispensabili per lo sviluppo di tecnologie high-tech come nuove energie e materiali e hanno un ampio valore applicativo in settori quali l’aerospaziale, la difesa nazionale e l’industria militare. I risultati della guerra moderna indicano che le armi delle terre rare dominano il campo di battaglia, i vantaggi tecnologici delle terre rare rappresentano vantaggi tecnologici militari e la disponibilità di risorse è garantita. Pertanto, le terre rare sono diventate anche risorse strategiche per le quali competono le principali economie di tutto il mondo, e le strategie chiave sulle materie prime come le terre rare spesso diventano strategie nazionali. Europa, Giappone, Stati Uniti e altri paesi e regioni prestano maggiore attenzione ai materiali chiave come le terre rare. Nel 2008, i materiali delle terre rare sono stati elencati come "strategia sui materiali chiave" dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti; All'inizio del 2010, l'Unione Europea ha annunciato la costituzione di una riserva strategica di terre rare; Nel 2007, il Ministero giapponese dell'Istruzione, della Cultura, della Scienza e della Tecnologia, nonché il Ministero dell'Economia, dell'Industria e della Tecnologia, avevano già proposto il "Piano strategico degli elementi" e il piano "Materiali alternativi ai metalli rari". Hanno adottato misure e politiche continue nelle riserve di risorse, nel progresso tecnologico, nell’acquisizione di risorse e nella ricerca di materiali alternativi. A partire da questo articolo, l'editore introdurrà in dettaglio le missioni e i ruoli di sviluppo storico importanti e persino indispensabili di questi elementi delle terre rare.

Terbio appartiene alla categoria delle terre rare pesanti, con una bassa abbondanza nella crosta terrestre pari a soli 1,1 ppm.Ossido di terbiorappresenta meno dello 0,01% del totale delle terre rare. Anche nel minerale pesante delle terre rare di tipo ad alto ione ittrio con il più alto contenuto di terbio, il contenuto di terbio rappresenta solo l'1,1-1,2% del totale delle terre rare, indicando che appartiene alla categoria "nobile" degli elementi delle terre rare. Il terbio è un metallo grigio argento con duttilità e consistenza relativamente morbida, che può essere tagliato con un coltello; Punto di fusione 1360 ℃, punto di ebollizione 3123 ℃, densità 8229 4 kg/m3. Per oltre 100 anni dalla scoperta del terbio nel 1843, la sua scarsità e il suo valore ne hanno impedito per lungo tempo l'applicazione pratica. È solo negli ultimi 30 anni che il terbio ha mostrato il suo talento unico.

La scoperta del terbio

Nello stesso periodo in cuilantaniofu scoperto, Karl G. Mosander di Svezia analizzò ciò che era stato scoperto inizialmenteittrioe pubblicò un rapporto nel 1842, chiarendo che la terra di ittrio inizialmente scoperta non era un singolo ossido elementare, ma un ossido di tre elementi. Nel 1843, Mossander scoprì l'elemento terbio attraverso la sua ricerca sulla terra di ittrio. Ha ancora chiamato uno di loro terra di ittrio e uno di loroossido di erbio. Fu solo nel 1877 che venne ufficialmente chiamato terbio, con l'elemento simbolo Tb. Il suo nome deriva dalla stessa fonte dell'ittrio, originario del villaggio di Ytterby vicino a Stoccolma, in Svezia, dove fu scoperto per la prima volta il minerale di ittrio. La scoperta del terbio e di altri due elementi, il lantanio e l'erbio, ha aperto la seconda porta alla scoperta degli elementi delle terre rare, segnando la seconda fase della loro scoperta. Fu purificato per la prima volta da G. Urban nel 1905.

Mossander

Applicazione del terbio

L'applicazione diterbiocoinvolge principalmente settori ad alta tecnologia, ovvero progetti all’avanguardia ad alta intensità di tecnologia e conoscenza, nonché progetti con notevoli vantaggi economici e con prospettive di sviluppo interessanti. Le principali aree di applicazione includono: (1) utilizzo sotto forma di terre rare miste. Ad esempio, viene utilizzato come fertilizzante composto di terre rare e additivo per mangimi per l'agricoltura. (2) Attivatore per polvere verde in tre polveri fluorescenti primarie. I moderni materiali optoelettronici richiedono l'uso di tre colori base dei fosfori, vale a dire rosso, verde e blu, che possono essere utilizzati per sintetizzare vari colori. E il terbio è un componente indispensabile in molte polveri fluorescenti verdi di alta qualità. (3) Utilizzato come materiale di memorizzazione magneto-ottico. Film sottili di leghe di metalli di transizione di terbio di metallo amorfo sono stati utilizzati per produrre dischi magneto-ottici ad alte prestazioni. (4) Produzione di vetro magneto-ottico. Il vetro rotante di Faraday contenente terbio è un materiale chiave per la produzione di rotatori, isolatori e circolatori nella tecnologia laser. (5) Lo sviluppo e lo sviluppo della lega ferromagnetostrittiva del terbio disprosio (TerFenol) ha aperto nuove applicazioni per il terbio.

 Per l'agricoltura e la zootecnia

Terbio delle terre rarepuò migliorare la qualità dei raccolti e aumentare il tasso di fotosintesi entro un certo intervallo di concentrazione. I complessi del terbio hanno un'elevata attività biologica e i complessi ternari del terbio, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3-3H2O, hanno buoni effetti antibatterici e battericidi su Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis ed Escherichia coli, con azione antibatterica ad ampio spettro proprietà. Lo studio di questi complessi fornisce una nuova direzione di ricerca per i moderni farmaci battericidi.

Utilizzato nel campo della luminescenza

I moderni materiali optoelettronici richiedono l'uso di tre colori base dei fosfori, vale a dire rosso, verde e blu, che possono essere utilizzati per sintetizzare vari colori. E il terbio è un componente indispensabile in molte polveri fluorescenti verdi di alta qualità. Se la nascita della polvere fluorescente rossa TV a colori di terre rare ha stimolato la domanda di ittrio ed europio, l'applicazione e lo sviluppo del terbio sono stati promossi dalla polvere fluorescente verde di tre colori primari di terre rare per lampade. All'inizio degli anni '80, Philips ha inventato la prima lampada fluorescente compatta a risparmio energetico al mondo e l'ha rapidamente promossa a livello globale. Gli ioni Tb3+ possono emettere luce verde con una lunghezza d'onda di 545 nm e quasi tutte le polveri fluorescenti verdi di terre rare utilizzano il terbio come attivatore.

La polvere fluorescente verde utilizzata per i tubi a raggi catodici (CRT) dei televisori a colori è sempre stata basata principalmente sul solfuro di zinco economico ed efficiente, ma la polvere di terbio è sempre stata utilizzata come polvere verde per i televisori a colori di proiezione, come Y2SiO5: Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+ e LaOBr: Tb3+. Con lo sviluppo dei televisori ad alta definizione (HDTV) su grande schermo, vengono sviluppate anche polveri fluorescenti verdi ad alte prestazioni per i CRT. Ad esempio, all'estero è stata sviluppata una polvere fluorescente verde ibrida, composta da Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, LaOCl: Tb3+ e Y2SiO5: Tb3+, che hanno un'eccellente efficienza di luminescenza ad alta densità di corrente.

La tradizionale polvere fluorescente a raggi X è il tungstato di calcio. Negli anni '70 e '80 furono sviluppate polveri fluorescenti di terre rare per schermi di sensibilizzazione, come ossido di solfuro di lantanio attivato con terbio, ossido di bromuro di lantanio attivato con terbio (per schermi verdi) e ossido di solfuro di ittrio attivato con terbio. Rispetto al tungstato di calcio, la polvere fluorescente di terre rare può ridurre dell'80% il tempo di irradiazione dei raggi X per i pazienti, migliorare la risoluzione delle pellicole radiografiche, prolungare la durata dei tubi a raggi X e ridurre il consumo di energia. Il terbio viene utilizzato anche come attivatore di polvere fluorescente per schermi medici di miglioramento dei raggi X, che può migliorare notevolmente la sensibilità della conversione dei raggi X in immagini ottiche, migliorare la chiarezza delle pellicole a raggi X e ridurre notevolmente la dose di esposizione dei raggi X. raggi al corpo umano (di oltre il 50%).

Terbioviene utilizzato anche come attivatore nel fosforo del LED bianco eccitato dalla luce blu per l'illuminazione di nuovi semiconduttori. Può essere utilizzato per produrre fosfori di cristallo magneto-ottici in alluminio e terbio, utilizzando diodi emettitori di luce blu come sorgenti di luce di eccitazione e la fluorescenza generata viene miscelata con la luce di eccitazione per produrre luce bianca pura.

I materiali elettroluminescenti a base di terbio includono principalmente polvere fluorescente verde di solfuro di zinco con terbio come attivatore. Sotto l'irradiazione ultravioletta, i complessi organici del terbio possono emettere una forte fluorescenza verde e possono essere utilizzati come materiali elettroluminescenti a film sottile. Sebbene siano stati compiuti progressi significativi nello studio dei film sottili elettroluminescenti complessi organici delle terre rare, esiste ancora un certo divario rispetto alla praticità e la ricerca sui film sottili e sui dispositivi elettroluminescenti complessi organici delle terre rare è ancora approfondita.

Le caratteristiche di fluorescenza del terbio vengono utilizzate anche come sonde di fluorescenza. L'interazione tra il complesso ofloxacina terbio (Tb3+) e l'acido desossiribonucleico (DNA) è stata studiata utilizzando spettri di fluorescenza e assorbimento, come la sonda di fluorescenza dell'ofloxacina terbio (Tb3+). I risultati hanno mostrato che la sonda ofloxacina Tb3+ può formare un solco che si lega alle molecole di DNA e l'acido desossiribonucleico può aumentare significativamente la fluorescenza del sistema ofloxacina Tb3+. Sulla base di questo cambiamento è possibile determinare l'acido desossiribonucleico.

Per materiali magneto-ottici

I materiali con effetto Faraday, noti anche come materiali magneto-ottici, sono ampiamente utilizzati nei laser e in altri dispositivi ottici. Esistono due tipi comuni di materiali magneto ottici: cristalli magneto ottici e vetro magneto ottico. Tra questi, i cristalli magneto-ottici (come il granato di ferro ittrio e il granato di terbio gallio) presentano i vantaggi di una frequenza operativa regolabile e di un'elevata stabilità termica, ma sono costosi e difficili da produrre. Inoltre, molti cristalli magneto-ottici con angoli di rotazione di Faraday elevati hanno un elevato assorbimento nella gamma delle onde corte, il che ne limita l'uso. Rispetto ai cristalli magneto-ottici, il vetro magneto-ottico presenta il vantaggio di un'elevata trasmittanza ed è facile da trasformare in grandi blocchi o fibre. Attualmente, i vetri magneto-ottici con elevato effetto Faraday sono principalmente vetri drogati con ioni di terre rare.

Utilizzato per materiali di memorizzazione magneto-ottici

Negli ultimi anni, con il rapido sviluppo della multimedialità e dell'automazione degli uffici, la domanda di nuovi dischi magnetici ad alta capacità è aumentata. Film sottili di leghe di metalli di transizione di terbio di metallo amorfo sono stati utilizzati per produrre dischi magneto-ottici ad alte prestazioni. Tra questi, il film sottile in lega TbFeCo ha le migliori prestazioni. I materiali magneto-ottici a base di terbio sono stati prodotti su larga scala e i dischi magneto-ottici realizzati con essi vengono utilizzati come componenti di archiviazione dei computer, con capacità di archiviazione aumentata di 10-15 volte. Presentano i vantaggi di una grande capacità e di un'elevata velocità di accesso e possono essere puliti e rivestiti decine di migliaia di volte se utilizzati per dischi ottici ad alta densità. Sono materiali importanti nella tecnologia di archiviazione elettronica delle informazioni. Il materiale magneto-ottico più comunemente utilizzato nelle bande del visibile e del vicino infrarosso è il cristallo singolo Terbium Gallium Garnet (TGG), che è il miglior materiale magneto-ottico per realizzare rotatori e isolatori di Faraday.

Per vetro magnetoottico

Il vetro magneto-ottico di Faraday ha una buona trasparenza e isotropia nelle regioni del visibile e dell'infrarosso e può formare varie forme complesse. È facile produrre prodotti di grandi dimensioni e può essere trasformato in fibre ottiche. Pertanto, ha ampie prospettive di applicazione nei dispositivi magneto-ottici come isolatori magneto-ottici, modulatori magneto-ottici e sensori di corrente in fibra ottica. A causa del suo grande momento magnetico e del piccolo coefficiente di assorbimento nella gamma visibile e infrarossa, gli ioni Tb3+ sono diventati ioni di terre rare comunemente usati nei vetri magneto-ottici.

Lega ferromagnetostrittiva di terbio disprosio

Alla fine del 20° secolo, con il continuo aggravarsi della rivoluzione tecnologica mondiale, stavano rapidamente emergendo nuovi materiali per l’applicazione delle terre rare. Nel 1984, l'Iowa State University, l'Ames Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e il Centro di ricerca sulle armi di superficie della Marina statunitense (da cui proveniva il personale principale della successiva Edge Technology Corporation (ET REMA)) collaborarono per sviluppare un nuovo raro materiale intelligente della terra, vale a dire materiale magnetostrittivo ferromagnetico terbio disprosio. Questo nuovo materiale intelligente ha eccellenti caratteristiche di conversione rapida dell'energia elettrica in energia meccanica. I trasduttori subacquei ed elettroacustici realizzati con questo gigantesco materiale magnetostrittivo sono stati configurati con successo in apparecchiature navali, altoparlanti per il rilevamento di pozzi petroliferi, sistemi di controllo del rumore e delle vibrazioni, nonché sistemi di esplorazione oceanica e di comunicazione sotterranea. Pertanto, non appena è nato il materiale magnetostrittivo gigante di ferro terbio disprosio, ha ricevuto un'ampia attenzione da parte dei paesi industrializzati di tutto il mondo. Edge Technologies negli Stati Uniti ha iniziato a produrre materiali magnetostrittivi giganti di ferro terbio disprosio nel 1989 e li ha chiamati Terfenol D. Successivamente, anche Svezia, Giappone, Russia, Regno Unito e Australia hanno sviluppato materiali magnetostrittivi giganti di ferro terbio disprosio.

Dalla storia dello sviluppo di questo materiale negli Stati Uniti, sia l'invenzione del materiale che le sue prime applicazioni monopolistiche sono direttamente collegate all'industria militare (come la marina). Sebbene i dipartimenti militari e di difesa cinesi stiano gradualmente rafforzando la loro comprensione di questo materiale. Tuttavia, con il significativo miglioramento della forza nazionale globale della Cina, la richiesta di realizzare una strategia militare competitiva del 21° secolo e di migliorare i livelli di equipaggiamento sarà sicuramente molto urgente. Pertanto, l’uso diffuso di materiali magnetostrittivi giganti di ferro terbio disprosio da parte dei dipartimenti militari e della difesa nazionale sarà una necessità storica.

In breve, le tante eccellenti proprietà diterbiolo rendono un componente indispensabile di molti materiali funzionali e una posizione insostituibile in alcuni campi di applicazione. Tuttavia, a causa del prezzo elevato del terbio, le persone hanno studiato come evitare e minimizzare l’uso del terbio per ridurre i costi di produzione. Ad esempio, i materiali magneto-ottici delle terre rare dovrebbero utilizzare il più possibile anche il disprosio ferro cobalto a basso costo o il gadolinio terbio cobalto; Cercare di ridurre il contenuto di terbio nella polvere verde fluorescente che deve essere utilizzata. Il prezzo è diventato un fattore importante che limita l’uso diffuso del terbio. Ma molti materiali funzionali non possono farne a meno, quindi dobbiamo aderire al principio di "usare un buon acciaio sulla lama" e cercare di risparmiare il più possibile l'uso del terbio.