Pierwiastki ziem rzadkichsą niezbędne dla rozwoju zaawansowanych technologii, takich jak nowa energia i materiały, i mają szerokie zastosowanie w takich dziedzinach, jak lotnictwo, obrona narodowa i przemysł wojskowy. Wyniki współczesnych działań wojennych wskazują, że na polu bitwy dominuje broń oparta na pierwiastkach ziem rzadkich, zalety technologiczne związane z pierwiastkami ziem rzadkich reprezentują militarną przewagę technologiczną, a posiadanie zasobów jest gwarantowane. W związku z tym pierwiastki ziem rzadkich stały się również zasobami strategicznymi, o które konkurują największe gospodarki na całym świecie, a kluczowe strategie dotyczące surowców, takie jak pierwiastki ziem rzadkich, często stają się strategiami krajowymi. Europa, Japonia, Stany Zjednoczone oraz inne kraje i regiony zwracają większą uwagę na kluczowe materiały, takie jak pierwiastki ziem rzadkich. W 2008 r. Departament Energii Stanów Zjednoczonych uznał materiały ziem rzadkich za „kluczową strategię materiałową”; Na początku 2010 roku Unia Europejska ogłosiła utworzenie strategicznego rezerwatu pierwiastków ziem rzadkich; W 2007 roku japońskie Ministerstwo Edukacji, Kultury, Nauki i Technologii, a także Ministerstwo Gospodarki, Przemysłu i Technologii zaproponowały już „Plan strategiczny dotyczący pierwiastków” i plan „Alternatywne materiały zawierające metale rzadkie”. Podjęli ciągłe środki i politykę w zakresie rezerw zasobów, postępu technologicznego, pozyskiwania zasobów i poszukiwania materiałów alternatywnych. Zaczynając od tego artykułu, redaktor szczegółowo przedstawi ważne, a nawet niezbędne misje rozwoju historycznego i rolę tych pierwiastków ziem rzadkich.
Terb należy do kategorii ciężkich pierwiastków ziem rzadkich, których zawartość w skorupie ziemskiej jest niewielka i wynosi zaledwie 1,1 ppm.Tlenek terbustanowi mniej niż 0,01% wszystkich pierwiastków ziem rzadkich. Nawet w rudach ciężkich metali ziem rzadkich o wysokiej zawartości jonów itru i najwyższej zawartości terbu, zawartość terbu stanowi jedynie 1,1–1,2% całkowitej zawartości pierwiastków ziem rzadkich, co wskazuje, że należy ona do „szlachetnej” kategorii pierwiastków ziem rzadkich. Terb to srebrnoszary metal o ciągliwości i stosunkowo miękkiej teksturze, który można rozciąć nożem; Temperatura topnienia 1360 ℃, temperatura wrzenia 3123 ℃, gęstość 8229 4kg/m3. Przez ponad 100 lat od odkrycia terbu w 1843 r. jego niedostatek i wartość przez długi czas uniemożliwiały jego praktyczne zastosowanie. Dopiero w ciągu ostatnich 30 lat terb pokazał swój wyjątkowy talent.
Odkrycie terbu
W tym samym okresie, kiedylantanodkryto, Karl G. Mosander ze Szwecji przeanalizował pierwotnie odkryteitri opublikował raport w 1842 r. wyjaśniający, że początkowo odkryta ziemia itrowa nie była pojedynczym tlenkiem pierwiastka, ale tlenkiem trzech pierwiastków. W 1843 roku Mossander odkrył pierwiastek terb podczas swoich badań nad ziemią itrową. Nadal nazwał jedną z nich itrową ziemią, a jedną z nichtlenek erbu. Dopiero w 1877 roku oficjalnie nadano mu nazwę terb, z symbolem pierwiastka Tb. Jego nazwa pochodzi od tego samego źródła co itr, a pochodzi od wioski Ytterby niedaleko Sztokholmu w Szwecji, gdzie po raz pierwszy odkryto rudę itru. Odkrycie terbu i dwóch innych pierwiastków, lantanu i erbu, otworzyło drugie drzwi do odkrycia pierwiastków ziem rzadkich, wyznaczając drugi etap ich odkrycia. Po raz pierwszy został oczyszczony przez G. Urbana w 1905 roku.
Mossandera
Zastosowanie terbu
ZastosowanieterbDotyczy to przede wszystkim dziedzin zaawansowanych technologii, czyli nowatorskich projektów opartych na technologii i wiedzy, a także projektów przynoszących istotne korzyści ekonomiczne i charakteryzujących się atrakcyjnymi perspektywami rozwoju. Główne obszary zastosowań obejmują: (1) wykorzystanie w postaci mieszanych pierwiastków ziem rzadkich. Na przykład stosuje się go jako złożony nawóz zawierający pierwiastki ziem rzadkich i dodatek paszowy w rolnictwie. (2) Aktywator zielonego proszku w trzech podstawowych proszkach fluorescencyjnych. Nowoczesne materiały optoelektroniczne wymagają stosowania trzech podstawowych kolorów luminoforów, a mianowicie czerwonego, zielonego i niebieskiego, które można wykorzystać do syntezy różnych kolorów. Terb jest niezbędnym składnikiem wielu wysokiej jakości zielonych proszków fluorescencyjnych. (3) Używany jako magnetooptyczny materiał magazynujący. Do produkcji wysokowydajnych dysków magnetooptycznych wykorzystano cienkie warstwy stopu metalu przejściowego z amorficznego terbu. (4) Produkcja szkła magnetooptycznego. Szkło obrotowe Faradaya zawierające terb jest kluczowym materiałem do produkcji rotatorów, izolatorów i cyrkulatorów w technologii laserowej. (5) Rozwój i rozwój ferromagnetostrykcyjnego stopu dysprozu terbu (TerFenolu) otworzył nowe zastosowania terbu.
Dla rolnictwa i hodowli zwierząt
Terb ziem rzadkichmoże poprawić jakość plonów i zwiększyć tempo fotosyntezy w pewnym zakresie stężeń. Kompleksy terbu mają wysoką aktywność biologiczną, a trójskładnikowe kompleksy terbu, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3-3H2O, mają dobre działanie antybakteryjne i bakteriobójcze na Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis i Escherichia coli, o szerokim spektrum działania przeciwbakteryjnego właściwości. Badanie tych kompleksów wyznacza nowy kierunek badań współczesnych leków bakteriobójczych.
Stosowany w dziedzinie luminescencji
Nowoczesne materiały optoelektroniczne wymagają stosowania trzech podstawowych kolorów luminoforów, a mianowicie czerwonego, zielonego i niebieskiego, które można wykorzystać do syntezy różnych kolorów. Terb jest niezbędnym składnikiem wielu wysokiej jakości zielonych proszków fluorescencyjnych. Jeśli narodziny czerwonego proszku fluorescencyjnego z metali ziem rzadkich pobudziły popyt na itr i europ, wówczas zastosowanie i rozwój terbu były wspierane przez zielony proszek fluorescencyjny z trzema podstawowymi kolorami metali ziem rzadkich do lamp. Na początku lat 80. firma Philips wynalazła pierwszą na świecie kompaktową, energooszczędną świetlówkę i szybko ją wypromowała na całym świecie. Jony Tb3+ mogą emitować zielone światło o długości fali 545 nm, a prawie wszystkie zielone proszki fluorescencyjne metali ziem rzadkich wykorzystują terb jako aktywator.
Zielony proszek fluorescencyjny używany w kineskopach (CRT) do telewizorów kolorowych zawsze opierał się głównie na tanim i wydajnym siarczku cynku, ale proszek terbu zawsze był używany jako zielony proszek do projekcji kolorowych telewizorów, taki jak Y2SiO5: Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+ i LaOBr: Tb3+. Wraz z rozwojem wielkoekranowej telewizji wysokiej rozdzielczości (HDTV) opracowywane są również wysokowydajne zielone proszki fluorescencyjne do kineskopów. Na przykład za granicą opracowano hybrydowy zielony proszek fluorescencyjny składający się z Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, LaOCl: Tb3+ i Y2SiO5: Tb3+, które mają doskonałą skuteczność luminescencji przy dużej gęstości prądu.
Tradycyjnym proszkiem fluorescencyjnym rentgenowskim jest wolframian wapnia. W latach siedemdziesiątych i osiemdziesiątych XX wieku opracowano proszki fluorescencyjne ziem rzadkich do ekranów uczulających, takie jak tlenek siarczku lantanu aktywowany terbem, tlenek bromku lantanu aktywowany terbem (do zielonych ekranów) i tlenek siarczku itru aktywowany terbem. W porównaniu z wolframianem wapnia proszek fluorescencyjny pierwiastków ziem rzadkich może skrócić czas napromieniania rentgenowskiego pacjentów o 80%, poprawić rozdzielczość filmów rentgenowskich, wydłużyć żywotność lamp rentgenowskich i zmniejszyć zużycie energii. Terb jest również stosowany jako aktywator proszku fluorescencyjnego w medycznych ekranach wzmacniających promieniowanie rentgenowskie, co może znacznie poprawić czułość konwersji promieni rentgenowskich na obrazy optyczne, poprawić przejrzystość filmów rentgenowskich i znacznie zmniejszyć dawkę ekspozycji promieniowania rentgenowskiego promieni do organizmu ludzkiego (o ponad 50%).
Terbjest również stosowany jako aktywator białego luminoforu LED wzbudzanego niebieskim światłem w nowym oświetleniu półprzewodnikowym. Można go stosować do wytwarzania magnetooptycznych luminoforów kryształowo-optycznych z terbowo-aluminiowego, wykorzystując diody elektroluminescencyjne niebieskiego jako źródła światła wzbudzenia, a wygenerowana fluorescencja jest mieszana ze światłem wzbudzenia, aby wytworzyć czyste białe światło.
Materiały elektroluminescencyjne wykonane z terbu obejmują głównie zielony proszek fluorescencyjny siarczku cynku z terbem jako aktywatorem. Pod wpływem promieniowania ultrafioletowego organiczne kompleksy terbu mogą emitować silną zieloną fluorescencję i mogą być stosowane jako cienkowarstwowe materiały elektroluminescencyjne. Chociaż poczyniono znaczne postępy w badaniach cienkich warstw elektroluminescencyjnych złożonych organicznych pierwiastków ziem rzadkich, nadal istnieje pewna luka w stosunku do praktyczności, a badania nad cienkimi warstwami i urządzeniami elektroluminescencyjnymi złożonymi z organicznych pierwiastków ziem rzadkich są nadal dogłębne.
Właściwości fluorescencyjne terbu są również wykorzystywane jako sondy fluorescencyjne. Interakcję pomiędzy kompleksem ofloksacyny terbowej (Tb3+) i kwasem dezoksyrybonukleinowym (DNA) badano przy użyciu widm fluorescencyjnych i absorpcyjnych, takich jak sonda fluorescencyjna ofloksacyny terbowej (Tb3+). Wyniki wykazały, że sonda ofloksacyny Tb3+ może tworzyć wiązanie rowkowe z cząsteczkami DNA, a kwas dezoksyrybonukleinowy może znacząco zwiększać fluorescencję układu ofloksacyny Tb3+. Na podstawie tej zmiany można oznaczyć kwas deoksyrybonukleinowy.
Do materiałów magnetooptycznych
Materiały z efektem Faradaya, zwane także materiałami magnetooptycznymi, są szeroko stosowane w laserach i innych urządzeniach optycznych. Istnieją dwa popularne typy materiałów magnetooptycznych: kryształy magnetooptyczne i szkło magnetooptyczne. Wśród nich kryształy magnetooptyczne (takie jak granat itrowo-żelazowy i granat terbowo-galowy) mają zalety regulowanej częstotliwości roboczej i wysokiej stabilności termicznej, ale są drogie i trudne w produkcji. Ponadto wiele kryształów magnetooptycznych o dużych kątach rotacji Faradaya charakteryzuje się dużą absorpcją w zakresie fal krótkich, co ogranicza ich zastosowanie. W porównaniu z kryształami magnetooptycznymi, szkło magnetooptyczne ma tę zaletę, że charakteryzuje się wysoką przepuszczalnością i można je łatwo przekształcić w duże bloki lub włókna. Obecnie szkła magnetooptyczne o wysokim efekcie Faradaya to głównie szkła domieszkowane jonami ziem rzadkich.
Stosowany do materiałów magnetooptycznych
W ostatnich latach, wraz z szybkim rozwojem multimediów i automatyzacji biura, wzrasta zapotrzebowanie na nowe dyski magnetyczne o dużej pojemności. Do produkcji wysokowydajnych dysków magnetooptycznych wykorzystano cienkie warstwy stopu metalu przejściowego z amorficznego terbu. Wśród nich cienka folia ze stopu TbFeCo ma najlepszą wydajność. Materiały magnetooptyczne na bazie terbu są produkowane na dużą skalę, a wykonane z nich dyski magnetooptyczne wykorzystywane są jako elementy pamięci komputerowych, których pojemność zwiększa się 10-15 razy. Mają zalety dużej pojemności i dużej szybkości dostępu, a w przypadku dysków optycznych o dużej gęstości można je przecierać i powlekać dziesiątki tysięcy razy. Są ważnymi materiałami w technologii elektronicznego przechowywania informacji. Najpowszechniej stosowanym materiałem magnetooptycznym w pasmach widzialnym i bliskiej podczerwieni jest monokryształ terbowo-galowego granatu (TGG), który jest najlepszym materiałem magnetooptycznym do produkcji rotatorów i izolatorów Faradaya.
Do szkła magnetooptycznego
Szkło magnetooptyczne Faradaya ma dobrą przezroczystość i izotropię w obszarach widzialnych i podczerwonych oraz może tworzyć różne złożone kształty. Łatwo jest wytwarzać produkty o dużych rozmiarach i można je wciągać do włókien optycznych. Dlatego ma szerokie perspektywy zastosowania w urządzeniach magnetooptycznych, takich jak izolatory magnetooptyczne, modulatory magnetooptyczne i światłowodowe czujniki prądu. Ze względu na duży moment magnetyczny i mały współczynnik absorpcji w zakresie widzialnym i podczerwonym, jony Tb3+ stały się powszechnie stosowanymi jonami ziem rzadkich w szkłach magnetooptycznych.
Stop ferromagnetostrykcyjny terbowo-dysprozowy
Pod koniec XX wieku, wraz z ciągłym pogłębianiem się światowej rewolucji technologicznej, szybko pojawiały się nowe materiały do zastosowań w pierwiastkach ziem rzadkich. W 1984 roku Uniwersytet Stanowy Iowa, Laboratorium Amesa Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych i Centrum Badań nad Bronią Powierzchniową Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych (z którego pochodził główny personel później utworzonej Korporacji Edge Technology Corporation (ET REMA)) współpracowały nad opracowaniem nowego, rzadkiego ziemski inteligentny materiał, mianowicie ferromagnetyczny materiał magnetostrykcyjny z dysprozem terbowym. Ten nowy inteligentny materiał ma doskonałe właściwości szybkiego przekształcania energii elektrycznej w energię mechaniczną. Przetworniki podwodne i elektroakustyczne wykonane z tego gigantycznego materiału magnetostrykcyjnego zostały z powodzeniem skonfigurowane w sprzęcie morskim, głośnikach do wykrywania szybów naftowych, systemach kontroli hałasu i wibracji oraz systemach eksploracji oceanów i podziemnej komunikacji. Dlatego też, gdy tylko narodził się gigantyczny materiał magnetostrykcyjny z dysprozem terbowo-żelazowym, wzbudził on szerokie zainteresowanie krajów uprzemysłowionych na całym świecie. Firma Edge Technologies w Stanach Zjednoczonych rozpoczęła produkcję gigantycznych materiałów magnetostrykcyjnych z dysprozem terbowo-żelazowym w 1989 r. i nazwała je Terfenol D. Następnie Szwecja, Japonia, Rosja, Wielka Brytania i Australia również opracowały gigantyczne materiały magnetostrykcyjne z dysprozem terbowo-żelazowym.
Z historii rozwoju tego materiału w Stanach Zjednoczonych wynika, że zarówno wynalezienie materiału, jak i jego wczesne monopolistyczne zastosowania są bezpośrednio związane z przemysłem zbrojeniowym (np. marynarką wojenną). Chociaż chińskie departamenty wojskowe i obrony stopniowo wzmacniają swoją wiedzę na temat tego materiału. Jednakże wraz ze znaczącym wzmocnieniem wszechstronnej siły narodowej Chin, zapotrzebowanie na osiągnięcie wojskowej strategii konkurencyjnej na miarę XXI wieku i poprawę poziomu wyposażenia z pewnością stanie się bardzo pilne. Dlatego powszechne zastosowanie gigantycznych materiałów magnetostrykcyjnych z dysprozem terbu i żelaza przez departamenty wojskowe i obrony narodowej będzie historyczną koniecznością.
Krótko mówiąc, wiele doskonałych właściwościterbczynią go nieodzownym elementem wielu materiałów funkcjonalnych i niezastąpioną pozycją w niektórych obszarach zastosowań. Jednak ze względu na wysoką cenę terbu ludzie badają, jak unikać i minimalizować użycie terbu, aby obniżyć koszty produkcji. Na przykład materiały magnetooptyczne zawierające pierwiastki ziem rzadkich powinny również w miarę możliwości wykorzystywać tani dysprozowo-żelazowo-kobaltowy lub gadolinowo-terbowo-kobaltowy; Spróbuj zmniejszyć zawartość terbu w zielonym proszku fluorescencyjnym, którego należy użyć. Cena stała się ważnym czynnikiem ograniczającym powszechne stosowanie terbu. Ale wiele materiałów funkcjonalnych nie może się bez niego obejść, dlatego musimy trzymać się zasady „używania dobrej stali na ostrzu” i starać się maksymalnie oszczędzać użycie terbu.
Czas publikacji: 07 sierpnia 2023 r