Materiais militares de terras raras – térbio de terras raras

Elementos de terras rarassão indispensáveis ​​para o desenvolvimento de alta tecnologia, como novas energias e materiais, e têm amplo valor de aplicação em áreas como aeroespacial, defesa nacional e indústria militar. Os resultados da guerra moderna indicam que as armas de terras raras dominam o campo de batalha, as vantagens tecnológicas das terras raras representam vantagens tecnológicas militares e a disponibilidade de recursos é garantida. Portanto, as terras raras também se tornaram recursos estratégicos pelos quais as principais economias do mundo competem, e as principais estratégias de matérias-primas, como as terras raras, muitas vezes ascendem a estratégias nacionais. Europa, Japão, Estados Unidos e outros países e regiões prestam mais atenção a materiais essenciais, como terras raras. Em 2008, os materiais de terras raras foram listados como "estratégia de materiais-chave" pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos; No início de 2010, a União Europeia anunciou a criação de uma reserva estratégica de terras raras; Em 2007, o Ministério da Educação, Cultura, Ciência e Tecnologia do Japão, bem como o Ministério da Economia, Indústria e Tecnologia, já haviam proposto o "Plano Estratégico de Elementos" e o plano "Materiais Alternativos de Metais Raros". Eles tomaram medidas e políticas contínuas em reservas de recursos, progresso tecnológico, aquisição de recursos e busca de materiais alternativos. A partir deste artigo, o editor apresentará em detalhes as importantes e até indispensáveis ​​missões de desenvolvimento histórico e os papéis desses elementos de terras raras.

Térbio pertence à categoria de terras raras pesadas, com baixa abundância na crosta terrestre, apenas 1,1 ppm.Óxido de térbiorepresenta menos de 0,01% do total de terras raras. Mesmo no minério de terras raras pesadas do tipo alto íon de ítrio com o maior teor de térbio, o conteúdo de térbio representa apenas 1,1-1,2% do total de terras raras, indicando que pertence à categoria "nobre" de elementos de terras raras. O térbio é um metal cinza prateado com ductilidade e textura relativamente macia, que pode ser aberto com uma faca; Ponto de fusão 1360 ℃, ponto de ebulição 3123 ℃, densidade 8229 4kg/m3. Durante mais de 100 anos, desde a descoberta do térbio em 1843, a sua escassez e valor impediram durante muito tempo a sua aplicação prática. Foi apenas nos últimos 30 anos que o térbio mostrou o seu talento único.

A descoberta do térbio

Durante o mesmo período em quelantâniofoi descoberto, Karl G. Mosander da Suécia analisou o inicialmente descobertoítrioe publicou um relatório em 1842, esclarecendo que a terra de ítrio inicialmente descoberta não era um único óxido elementar, mas um óxido de três elementos. Em 1843, Mossander descobriu o elemento térbio através de sua pesquisa sobre a terra de ítrio. Ele ainda nomeou um deles como terra de ítrio e um delesóxido de érbio. Somente em 1877 foi oficialmente denominado térbio, com o símbolo do elemento Tb. Seu nome vem da mesma fonte do ítrio, originário da vila de Ytterby, perto de Estocolmo, na Suécia, onde o minério de ítrio foi descoberto pela primeira vez. A descoberta do térbio e de dois outros elementos, o lantânio e o érbio, abriu a segunda porta para a descoberta dos elementos de terras raras, marcando a segunda etapa da sua descoberta. Foi purificado pela primeira vez por G. Urban em 1905.

Mossandro

Aplicação de térbio

A aplicação detérbioenvolve principalmente domínios de alta tecnologia, que são projetos de ponta com utilização intensiva de tecnologia e conhecimento, bem como projetos com benefícios económicos significativos, com perspetivas de desenvolvimento atrativas. As principais áreas de aplicação incluem: (1) utilização na forma de terras raras mistas. Por exemplo, é usado como fertilizante composto de terras raras e aditivo alimentar para a agricultura. (2) Ativador para pó verde em três pós fluorescentes primários. Os materiais optoeletrônicos modernos requerem o uso de três cores básicas de fósforos, ou seja, vermelho, verde e azul, que podem ser usadas para sintetizar várias cores. E o térbio é um componente indispensável em muitos pós fluorescentes verdes de alta qualidade. (3) Usado como material de armazenamento magneto-óptico. Filmes finos de liga de metal de transição de térbio de metal amorfo têm sido usados ​​para fabricar discos magneto-ópticos de alto desempenho. (4) Fabricação de vidro magneto-óptico. O vidro rotativo Faraday contendo térbio é um material chave para a fabricação de rotadores, isoladores e circuladores em tecnologia laser. (5) O desenvolvimento e desenvolvimento da liga ferromagnetostritiva de térbio disprósio (TerFenol) abriu novas aplicações para o térbio.

 Para agricultura e pecuária

Térbio de terras raraspode melhorar a qualidade das colheitas e aumentar a taxa de fotossíntese dentro de uma certa faixa de concentração. Os complexos de térbio têm alta atividade biológica, e os complexos ternários de térbio, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3-3H2O, têm bons efeitos antibacterianos e bactericidas em Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis e Escherichia coli, com amplo espectro antibacteriano propriedades. O estudo desses complexos fornece uma nova direção de pesquisa para medicamentos bactericidas modernos.

Usado no campo da luminescência

Os materiais optoeletrônicos modernos requerem o uso de três cores básicas de fósforos, ou seja, vermelho, verde e azul, que podem ser usadas para sintetizar várias cores. E o térbio é um componente indispensável em muitos pós fluorescentes verdes de alta qualidade. Se o nascimento do pó fluorescente vermelho para TV em cores de terras raras estimulou a demanda por ítrio e európio, então a aplicação e o desenvolvimento do térbio foram promovidos pelo pó fluorescente verde de três cores primárias de terras raras para lâmpadas. No início da década de 1980, a Philips inventou a primeira lâmpada fluorescente compacta e economizadora de energia do mundo e rapidamente a promoveu globalmente. Os íons Tb3 + podem emitir luz verde com comprimento de onda de 545 nm, e quase todos os pós fluorescentes verdes de terras raras usam térbio como ativador.

O pó fluorescente verde usado para tubos de raios catódicos de TV em cores (CRTs) sempre foi baseado principalmente em sulfeto de zinco barato e eficiente, mas o pó de térbio sempre foi usado como pó verde de TV em cores de projeção, como Y2SiO5: Tb3 +, Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+ e LaOBr: Tb3+. Com o desenvolvimento da televisão de alta definição de tela grande (HDTV), também estão sendo desenvolvidos pós fluorescentes verdes de alto desempenho para CRTs. Por exemplo, um pó fluorescente verde híbrido foi desenvolvido no exterior, composto por Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, LaOCl: Tb3+ e Y2SiO5: Tb3+, que apresentam excelente eficiência de luminescência em alta densidade de corrente.

O pó fluorescente de raios X tradicional é o tungstato de cálcio. Nas décadas de 1970 e 1980, foram desenvolvidos pós fluorescentes de terras raras para telas de sensibilização, como óxido de sulfeto de lantânio ativado por térbio, óxido de brometo de lantânio ativado por térbio (para telas verdes) e óxido de sulfeto de ítrio ativado por térbio. Comparado com o tungstato de cálcio, o pó fluorescente de terras raras pode reduzir o tempo de irradiação de raios X para os pacientes em 80%, melhorar a resolução dos filmes de raios X, prolongar a vida útil dos tubos de raios X e reduzir o consumo de energia. O térbio também é usado como ativador de pó fluorescente para telas médicas de aprimoramento de raios X, o que pode melhorar muito a sensibilidade da conversão de raios X em imagens ópticas, melhorar a clareza dos filmes de raios X e reduzir bastante a dose de exposição de raios X. raios para o corpo humano (em mais de 50%).

Térbiotambém é usado como ativador no fósforo LED branco excitado por luz azul para nova iluminação semicondutora. Ele pode ser usado para produzir fósforos de cristal magneto-ótico de alumínio e térbio, usando diodos emissores de luz azul como fontes de luz de excitação, e a fluorescência gerada é misturada com a luz de excitação para produzir luz branca pura.

Os materiais eletroluminescentes feitos de térbio incluem principalmente pó fluorescente verde de sulfeto de zinco com térbio como ativador. Sob irradiação ultravioleta, os complexos orgânicos de térbio podem emitir forte fluorescência verde e podem ser usados ​​como materiais eletroluminescentes de filme fino. Embora um progresso significativo tenha sido feito no estudo de filmes finos eletroluminescentes de complexos orgânicos de terras raras, ainda há uma certa lacuna em relação à praticidade, e a pesquisa sobre filmes finos e dispositivos eletroluminescentes de complexos orgânicos de terras raras ainda é aprofundada.

As características de fluorescência do térbio também são usadas como sondas de fluorescência. A interação entre o complexo de ofloxacina térbio (Tb3+) e o ácido desoxirribonucléico (DNA) foi estudada usando espectros de fluorescência e absorção, como a sonda de fluorescência de ofloxacina térbio (Tb3+). Os resultados mostraram que a sonda ofloxacina Tb3+ pode formar um sulco de ligação com moléculas de DNA, e o ácido desoxirribonucléico pode aumentar significativamente a fluorescência do sistema ofloxacina Tb3+. Com base nesta alteração, o ácido desoxirribonucléico pode ser determinado.

Para materiais magneto-ópticos

Materiais com efeito Faraday, também conhecidos como materiais magneto-ópticos, são amplamente utilizados em lasers e outros dispositivos ópticos. Existem dois tipos comuns de materiais magneto-ópticos: cristais magneto-ópticos e vidro magneto-óptico. Entre eles, os cristais magneto-ópticos (como granada de ítrio-ferro e granada de térbio-gálio) têm as vantagens de frequência operacional ajustável e alta estabilidade térmica, mas são caros e difíceis de fabricar. Além disso, muitos cristais magneto-ópticos com altos ângulos de rotação de Faraday apresentam alta absorção na faixa de ondas curtas, o que limita seu uso. Comparado com os cristais magneto-ópticos, o vidro magneto-óptico tem a vantagem de alta transmitância e é fácil de ser transformado em grandes blocos ou fibras. Atualmente, os vidros magneto-ópticos com alto efeito Faraday são principalmente vidros dopados com íons de terras raras.

Usado para materiais de armazenamento magneto-ópticos

Nos últimos anos, com o rápido desenvolvimento da multimídia e da automação de escritório, a demanda por novos discos magnéticos de alta capacidade tem aumentado. Filmes finos de liga de metal de transição de térbio de metal amorfo têm sido usados ​​para fabricar discos magneto-ópticos de alto desempenho. Dentre eles, o filme fino da liga TbFeCo apresenta o melhor desempenho. Materiais magneto-ópticos à base de térbio foram produzidos em larga escala, e discos magneto-ópticos feitos a partir deles são usados ​​como componentes de armazenamento de computador, com capacidade de armazenamento aumentada em 10-15 vezes. Eles têm as vantagens de grande capacidade e velocidade de acesso rápida e podem ser limpos e revestidos dezenas de milhares de vezes quando usados ​​em discos ópticos de alta densidade. Eles são materiais importantes na tecnologia de armazenamento eletrônico de informações. O material magneto-óptico mais comumente usado nas bandas do visível e do infravermelho próximo é o cristal único de granada de térbio e gálio (TGG), que é o melhor material magneto-óptico para fazer rotadores e isoladores Faraday.

Para vidro magneto-óptico

O vidro magneto-óptico Faraday possui boa transparência e isotropia nas regiões visível e infravermelha e pode formar vários formatos complexos. É fácil produzir produtos de grande porte e pode ser transformado em fibras ópticas. Portanto, tem amplas perspectivas de aplicação em dispositivos magneto-ópticos, como isoladores magneto-ópticos, moduladores magneto-ópticos e sensores de corrente de fibra óptica. Devido ao seu grande momento magnético e pequeno coeficiente de absorção na faixa visível e infravermelha, os íons Tb3+ tornaram-se íons de terras raras comumente usados ​​em vidros magneto-ópticos.

Liga ferromagnetostritiva de térbio disprósio

No final do século XX, com o contínuo aprofundamento da revolução tecnológica mundial, novos materiais de aplicação de terras raras emergiam rapidamente. Em 1984, a Iowa State University, o Laboratório Ames do Departamento de Energia dos EUA e o Centro de Pesquisa de Armas de Superfície da Marinha dos EUA (de onde veio o pessoal principal da mais tarde estabelecida Edge Technology Corporation (ET REMA)) colaboraram para desenvolver um novo e raro material inteligente da terra, nomeadamente material magnetostritivo ferromagnético de térbio disprósio. Este novo material inteligente possui excelentes características de conversão rápida de energia elétrica em energia mecânica. Os transdutores subaquáticos e eletroacústicos feitos deste material magnetostritivo gigante foram configurados com sucesso em equipamentos navais, alto-falantes de detecção de poços de petróleo, sistemas de controle de ruído e vibração e sistemas de exploração oceânica e comunicação subterrânea. Portanto, assim que o material magnetostritivo gigante do ferro disprósio térbio nasceu, ele recebeu ampla atenção dos países industrializados ao redor do mundo. Edge Technologies nos Estados Unidos começou a produzir materiais magnetostritivos gigantes de ferro disprósio de térbio em 1989 e os nomeou Terfenol D. Posteriormente, Suécia, Japão, Rússia, Reino Unido e Austrália também desenvolveram materiais magnetostritivos gigantes de ferro disprósio de térbio.

Pela história do desenvolvimento deste material nos Estados Unidos, tanto a invenção do material como as suas primeiras aplicações monopolísticas estão diretamente relacionadas com a indústria militar (como a marinha). Embora os departamentos militar e de defesa da China estejam gradualmente a reforçar a sua compreensão deste material. No entanto, com o aumento significativo da força nacional abrangente da China, a exigência de alcançar uma estratégia competitiva militar do século XXI e de melhorar os níveis de equipamento será definitivamente muito urgente. Portanto, o uso generalizado de materiais magnetostritivos gigantes de ferro térbio disprósio pelos departamentos militares e de defesa nacional será uma necessidade histórica.

Em suma, as muitas propriedades excelentes dotérbiotornam-no um membro indispensável de muitos materiais funcionais e uma posição insubstituível em alguns campos de aplicação. Porém, devido ao alto preço do térbio, as pessoas têm estudado como evitar e minimizar o uso do térbio para reduzir os custos de produção. Por exemplo, materiais magneto-ópticos de terras raras também devem usar cobalto disprósio-ferro de baixo custo ou cobalto gadolínio térbio, tanto quanto possível; Tente reduzir o teor de térbio no pó fluorescente verde que deve ser utilizado. O preço tornou-se um fator importante que restringe o uso generalizado do térbio. Mas muitos materiais funcionais não podem prescindir dele, por isso temos que aderir ao princípio de "usar aço de boa qualidade na lâmina" e tentar economizar ao máximo o uso de térbio.