Редкоземельные элементынезаменимы для развития высоких технологий, таких как новая энергия и материалы, и имеют широкую прикладную ценность в таких областях, как аэрокосмическая промышленность, национальная оборона и военная промышленность. Результаты современной войны показывают, что редкоземельное оружие доминирует на поле боя, редкоземельные технологические преимущества представляют собой военно-технологические преимущества, а наличие ресурсов гарантировано. Таким образом, редкоземельные элементы также стали стратегическими ресурсами, за которые конкурируют крупнейшие экономики мира, а ключевые стратегии в области сырья, такие как редкоземельные элементы, часто становятся национальными стратегиями. Европа, Япония, США и другие страны и регионы уделяют больше внимания ключевым материалам, таким как редкоземельные элементы. В 2008 году редкоземельные материалы были включены Министерством энергетики США в список «стратегии ключевых материалов»; В начале 2010 года Евросоюз объявил о создании стратегического резерва редкоземельных металлов; В 2007 году Министерство образования, культуры, науки и технологий Японии, а также Министерство экономики, промышленности и технологий уже предложили «План элементной стратегии» и план «Альтернативные материалы из редких металлов». Они принимают постоянные меры и политику в отношении запасов ресурсов, технологического прогресса, приобретения ресурсов и поиска альтернативных материалов. Начиная с этой статьи, редактор подробно представит важные и даже незаменимые исторические миссии и роль этих редкоземельных элементов.
Тербий относится к категории тяжелых редкоземельных элементов с низким содержанием в земной коре – всего 1,1 ppm.Оксид тербияприходится менее 0,01% от общего количества редкоземельных элементов. Даже в тяжелой редкоземельной руде с высоким содержанием ионов иттрия и самым высоким содержанием тербия содержание тербия составляет лишь 1,1-1,2% от общего количества редкоземельных элементов, что указывает на принадлежность ее к «благородной» категории редкоземельных элементов. Тербий — серебристо-серый металл с пластичностью и относительно мягкой текстурой, который можно разрезать ножом; Температура плавления 1360 ℃, температура кипения 3123 ℃, плотность 8229 4кг/м3. На протяжении более 100 лет с момента открытия тербия в 1843 году его дефицит и ценность долгое время препятствовали его практическому применению. Лишь за последние 30 лет тербий продемонстрировал свой уникальный талант.
Открытие тербия
В тот же период, когдалантанбыл обнаружен, Карл Г. Мосандер из Швеции проанализировал первоначально обнаруженныйиттрийи опубликовал отчет в 1842 году, разъясняя, что первоначально обнаруженная иттриевая земля представляла собой не одиночный оксид элемента, а оксид трех элементов. В 1843 году Моссандер открыл элемент тербий в ходе исследования иттриевой земли. Он все же назвал одного из них иттриевой землей, а другогооксид эрбия. Лишь в 1877 году ему было официально присвоено название тербий с символом элемента Tb. Его название происходит от того же источника, что и иттрий, и происходит от деревни Иттерби недалеко от Стокгольма, Швеция, где впервые была обнаружена иттриевая руда. Открытие тербия и двух других элементов, лантана и эрбия, открыло вторую дверь к открытию редкоземельных элементов, ознаменовав второй этап их открытия. Впервые его очистил Г. Урбан в 1905 году.
Моссандер
Применение тербия
Применениетербийв основном это высокотехнологичные отрасли, представляющие собой высокотехнологичные и наукоемкие передовые проекты, а также проекты, дающие значительную экономическую выгоду и привлекательные перспективы развития. Основные области применения включают: (1) использование в виде смеси редкоземельных элементов. Например, он используется в качестве редкоземельного удобрения и кормовой добавки в сельском хозяйстве. (2) Активатор зеленого порошка в трех первичных флуоресцентных порошках. Современные оптоэлектронные материалы требуют использования трех основных цветов люминофоров: красного, зеленого и синего, которые можно использовать для синтеза различных цветов. А тербий является незаменимым компонентом многих высококачественных зеленых флуоресцентных порошков. (3) Используется в качестве магнитооптического накопителя. Тонкие пленки из сплава переходного металла аморфного металла тербия использовались для изготовления высокопроизводительных магнитооптических дисков. (4) Производство магнитооптического стекла. Вращающееся стекло Фарадея, содержащее тербий, является ключевым материалом для изготовления ротаторов, изоляторов и циркуляторов в лазерных технологиях. (5) Разработка и разработка ферромагнитострикционного сплава тербия и диспрозия (Терфенол) открыли новые возможности применения тербия.
Для сельского хозяйства и животноводства
Редкоземельный тербийможет улучшить качество урожая и увеличить скорость фотосинтеза в определенном диапазоне концентраций. Комплексы тербия обладают высокой биологической активностью, а тройные комплексы тербия Tb(Ala)3BenIm(ClO4)3-3H2O обладают хорошим антибактериальным и бактерицидным действием на Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis и Escherichia coli, оказывая антибактериальное действие широкого спектра действия. характеристики. Изучение этих комплексов обеспечивает новое направление исследований современных бактерицидных препаратов.
Используется в области люминесценции.
Современные оптоэлектронные материалы требуют использования трех основных цветов люминофоров: красного, зеленого и синего, которые можно использовать для синтеза различных цветов. А тербий является незаменимым компонентом многих высококачественных зеленых флуоресцентных порошков. Если рождение редкоземельного флуоресцентного порошка ТВ-красного цвета стимулировало спрос на иттрий и европий, то применению и разработке тербия способствовало появление редкоземельного флуоресцентного порошка зеленого цвета трех основных цветов для ламп. В начале 1980-х годов компания Philips изобрела первую в мире компактную энергосберегающую люминесцентную лампу и быстро продвинула ее по всему миру. Ионы Tb3+ могут излучать зеленый свет с длиной волны 545 нм, и почти все редкоземельные зеленые флуоресцентные порошки используют тербий в качестве активатора.
Зеленый флуоресцентный порошок, используемый для цветных телевизионных электронно-лучевых трубок (ЭЛТ), всегда был в основном основан на дешевом и эффективном сульфиде цинка, но порошок тербия всегда использовался в качестве зеленого порошка для проекционного цветного телевидения, например Y2SiO5: Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+ и LaOBr: Tb3+. С развитием телевидения высокой четкости с большим экраном (HDTV) также разрабатываются высокоэффективные зеленые флуоресцентные порошки для ЭЛТ. Например, за рубежом разработан гибридный зеленый флуоресцентный порошок, состоящий из Y3(Al, Ga)5O12:Tb3+, LaOCl:Tb3+ и Y2SiO5:Tb3+, обладающих превосходной эффективностью люминесценции при высокой плотности тока.
Традиционный рентгенофлуоресцентный порошок представляет собой вольфрамат кальция. В 1970-х и 1980-х годах были разработаны флуоресцентные порошки редкоземельных элементов для сенсибилизирующих экранов, такие как активированный тербием оксид сульфида лантана, активированный тербием бромид лантана (для зеленых экранов) и активированный тербием оксид сульфида иттрия. По сравнению с вольфраматом кальция флуоресцентный порошок редкоземельных элементов позволяет сократить время рентгеновского облучения пациентов на 80%, улучшить разрешение рентгеновских пленок, продлить срок службы рентгеновских трубок и снизить энергопотребление. Тербий также используется в качестве флуоресцентного порошкового активатора для медицинских экранов, улучшающих рентгеновское излучение, что может значительно повысить чувствительность преобразования рентгеновских лучей в оптические изображения, улучшить четкость рентгеновских пленок и значительно снизить экспозиционную дозу рентгеновского излучения. лучей на организм человека (более чем на 50%).
Тербийтакже используется в качестве активатора белого светодиодного люминофора, возбуждаемого синим светом для нового полупроводникового освещения. Его можно использовать для производства тербий-алюминиевых магнитооптических кристаллолюминофоров с использованием синих светодиодов в качестве источников возбуждающего света, а генерируемая флуоресценция смешивается со светом возбуждения для получения чистого белого света.
Электролюминесцентные материалы, изготовленные из тербия, в основном включают зеленый флуоресцентный порошок сульфида цинка с тербием в качестве активатора. Под ультрафиолетовым облучением органические комплексы тербия могут излучать сильную зеленую флуоресценцию и могут использоваться в качестве тонкопленочных электролюминесцентных материалов. Хотя в исследовании тонких электролюминесцентных пленок из редкоземельных органических комплексов был достигнут значительный прогресс, все еще существует определенный разрыв с практической точки зрения, а исследования тонких электролюминесцентных пленок и устройств из редкоземельных органических комплексов все еще продолжаются.
Характеристики флуоресценции тербия также используются в качестве зондов флуоресценции. Взаимодействие комплекса офлоксацина тербия (Tb3+) с дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК) изучали с использованием спектров флуоресценции и поглощения, таких как зонд флуоресценции офлоксацина тербия (Tb3+). Результаты показали, что зонд офлоксацина Tb3+ может образовывать бороздку, связывающуюся с молекулами ДНК, а дезоксирибонуклеиновая кислота может значительно усиливать флуоресценцию системы офлоксацина Tb3+. На основании этого изменения можно определить дезоксирибонуклеиновую кислоту.
Для магнитооптических материалов
Материалы с эффектом Фарадея, также известные как магнитооптические материалы, широко используются в лазерах и других оптических устройствах. Существует два распространенных типа магнитооптических материалов: магнитооптические кристаллы и магнитооптическое стекло. Среди них магнитооптические кристаллы (такие как иттрий-железный гранат и тербий-галлиевый гранат) обладают преимуществами регулируемой рабочей частоты и высокой термической стабильности, но они дороги и сложны в производстве. Кроме того, многие магнитооптические кристаллы с большими углами фарадеевского вращения обладают высоким поглощением в коротковолновом диапазоне, что ограничивает их применение. По сравнению с магнитооптическими кристаллами магнитооптическое стекло обладает преимуществом высокого коэффициента пропускания и из него легко изготавливать большие блоки или волокна. В настоящее время магнитооптические стекла с высоким эффектом Фарадея представляют собой в основном стекла, легированные редкоземельными ионами.
Используется для магнитооптических накопительных материалов.
В последние годы с бурным развитием мультимедиа и офисной автоматизации растет спрос на новые магнитные диски большой емкости. Тонкие пленки из сплава переходного металла аморфного металла тербия использовались для изготовления высокопроизводительных магнитооптических дисков. Среди них тонкая пленка из сплава TbFeCo имеет лучшие характеристики. Магнитооптические материалы на основе тербия производятся в больших масштабах, а изготовленные из них магнитооптические диски используются в качестве компонентов компьютерной памяти, емкость которой увеличивается в 10-15 раз. Они обладают такими преимуществами, как большая емкость и высокая скорость доступа, а при использовании для оптических дисков высокой плотности их можно стирать и наносить покрытие десятки тысяч раз. Они являются важными материалами в технологии электронного хранения информации. Наиболее часто используемым магнитооптическим материалом в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах является монокристалл тербий-галлиевого граната (TGG), который является лучшим магнитооптическим материалом для изготовления ротаторов и изоляторов Фарадея.
Для магнитооптического стекла
Фарадеевское магнитооптическое стекло обладает хорошей прозрачностью и изотропностью в видимом и инфракрасном диапазонах, а также может образовывать различные сложные формы. Из него легко производить крупногабаритные изделия, его можно протягивать в оптические волокна. Поэтому он имеет широкие перспективы применения в магнитооптических устройствах, таких как магнитооптические изоляторы, магнитооптические модуляторы и волоконно-оптические датчики тока. Благодаря большому магнитному моменту и малому коэффициенту поглощения в видимом и инфракрасном диапазоне ионы Tb3+ стали широко использоваться в качестве редкоземельных ионов в магнитооптических стеклах.
Ферромагнитострикционный сплав тербия-диспрозия
В конце 20-го века, в условиях продолжающегося углубления мировой технологической революции, быстро появлялись новые материалы для применения редкоземельных элементов. В 1984 году Университет штата Айова, Лаборатория Эймса Министерства энергетики США и Исследовательский центр надводного вооружения ВМС США (из которого вышел основной персонал созданной позднее Edge Technology Corporation (ET REMA)) совместно разработали новый редкий земной интеллектуальный материал, а именно ферромагнитный магнитострикционный материал тербия диспрозия. Этот новый интеллектуальный материал обладает превосходными характеристиками быстрого преобразования электрической энергии в механическую. Подводные и электроакустические преобразователи, изготовленные из этого гигантского магнитострикционного материала, успешно используются в военно-морском оборудовании, громкоговорителях обнаружения нефтяных скважин, системах контроля шума и вибрации, а также в системах исследования океана и подземных системах связи. Поэтому, как только на свет появился магнитострикционный материал железного гиганта тербия-диспрозия, он получил широкое внимание со стороны промышленно развитых стран мира. Компания Edge Technologies в США начала производить магнитострикционные материалы из железного гиганта тербия и диспрозия в 1989 году и назвала их Терфенол Д. Впоследствии Швеция, Япония, Россия, Великобритания и Австралия также разработали магнитострикционные материалы из железа и гиганта из тербия и диспрозия.
Судя по истории развития этого материала в Соединенных Штатах, как изобретение материала, так и его раннее монопольное применение напрямую связаны с военной промышленностью (например, военно-морским флотом). Хотя военное и оборонное ведомство Китая постепенно углубляют понимание этого материала. Однако, учитывая значительное усиление всеобъемлющей национальной мощи Китая, потребность в разработке военной конкурентной стратегии XXI века и повышении уровня оснащения определенно станет очень актуальной. Таким образом, широкое использование магнитострикционных материалов из железного гиганта тербия и диспрозия военными и национальными оборонными ведомствами станет исторической необходимостью.
Короче говоря, многие превосходные свойстватербийделают его незаменимым элементом многих функциональных материалов и незаменимым в некоторых областях применения. Однако из-за высокой цены на тербий люди изучают, как избежать и свести к минимуму использование тербия, чтобы снизить производственные затраты. Например, в редкоземельных магнитооптических материалах также следует в максимально возможной степени использовать недорогой диспрозий-железо-кобальт или гадолиний-тербий-кобальт; Постарайтесь снизить содержание тербия в зеленом флуоресцентном порошке, который необходимо использовать. Цена стала важным фактором, ограничивающим широкое использование тербия. Но без него не могут обойтись многие функциональные материалы, поэтому приходится придерживаться принципа «использовать на клинке хорошую сталь» и стараться максимально экономить на использовании тербия.
Время публикации: 07 августа 2023 г.