Vật liệu quân sự đất hiếm – terbium đất hiếm

Nguyên tố đất hiếmlà không thể thiếu cho sự phát triển của công nghệ cao như năng lượng và vật liệu mới, đồng thời có giá trị ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như hàng không vũ trụ, quốc phòng và công nghiệp quân sự. Kết quả của chiến tranh hiện đại cho thấy vũ khí đất hiếm thống trị chiến trường, lợi thế công nghệ đất hiếm thể hiện lợi thế công nghệ quân sự, đảm bảo có tài nguyên. Vì vậy, đất hiếm cũng đã trở thành nguồn tài nguyên chiến lược mà các nền kinh tế lớn trên thế giới tranh giành và các chiến lược nguyên liệu thô quan trọng như đất hiếm thường được đưa vào chiến lược quốc gia. Châu Âu, Nhật Bản, Hoa Kỳ và các quốc gia và khu vực khác chú ý nhiều hơn đến các nguyên liệu chính như đất hiếm. Năm 2008, vật liệu đất hiếm được Bộ Năng lượng Hoa Kỳ liệt vào danh sách "chiến lược vật liệu chủ chốt"; Đầu năm 2010, Liên minh châu Âu công bố thành lập kho dự trữ chiến lược đất hiếm; Năm 2007, Bộ Giáo dục, Văn hóa, Khoa học và Công nghệ Nhật Bản cũng như Bộ Kinh tế, Công nghiệp và Công nghệ đã đề xuất "Kế hoạch chiến lược nguyên tố" và kế hoạch "Vật liệu thay thế kim loại hiếm". Họ đã liên tục thực hiện các biện pháp và chính sách về dự trữ tài nguyên, tiến bộ công nghệ, thu thập tài nguyên và tìm kiếm các nguyên liệu thay thế. Bắt đầu từ bài viết này, người biên tập sẽ giới thiệu chi tiết về sứ mệnh, vai trò lịch sử phát triển quan trọng, thậm chí không thể thiếu của các nguyên tố đất hiếm này.

Terbi thuộc loại đất hiếm nặng, hàm lượng trong vỏ Trái đất ở mức thấp chỉ 1,1 ppm.Terbi oxitchiếm ít hơn 0,01% tổng lượng đất hiếm. Ngay cả trong quặng đất hiếm nặng loại yttri ion cao có hàm lượng terbium cao nhất, hàm lượng terbium chỉ chiếm 1,1-1,2% tổng lượng đất hiếm, cho thấy nó thuộc loại nguyên tố đất hiếm "cao quý". Terbi là một kim loại màu xám bạc, có độ dẻo và kết cấu tương đối mềm, có thể cắt bằng dao; Điểm nóng chảy 1360oC, điểm sôi 3123oC, mật độ 8229 4kg/m3. Trong hơn 100 năm kể từ khi phát hiện ra terbium vào năm 1843, sự khan hiếm và giá trị của nó đã cản trở ứng dụng thực tế của nó trong một thời gian dài. Chỉ trong 30 năm qua, terbium mới thể hiện được tài năng độc đáo của mình.

Sự khám phá ra Terbi

Trong cùng khoảng thời gian khilanthanumđược phát hiện, Karl G. Mosander của Thụy Điển đã phân tích phát hiện ban đầuyttrivà công bố một báo cáo vào năm 1842, làm rõ rằng trái đất yttrium được phát hiện ban đầu không phải là một oxit nguyên tố đơn lẻ mà là một oxit gồm ba nguyên tố. Năm 1843, Mossander phát hiện ra nguyên tố terbium thông qua nghiên cứu của ông về trái đất yttrium. Ông vẫn đặt tên cho một trong số chúng là yttrium Earth và một trong số chúngoxit erbi. Mãi đến năm 1877 nó mới được đặt tên chính thức là terbium, với ký hiệu nguyên tố Tb. Việc đặt tên của nó xuất phát từ cùng nguồn với yttrium, bắt nguồn từ làng Ytterby gần Stockholm, Thụy Điển, nơi quặng yttrium lần đầu tiên được phát hiện. Việc phát hiện ra terbium và hai nguyên tố khác, lanthanum và erbium, đã mở ra cánh cửa thứ hai cho việc phát hiện ra các nguyên tố đất hiếm, đánh dấu giai đoạn thứ hai của quá trình khám phá chúng. Nó được G. Urban thanh lọc lần đầu tiên vào năm 1905.

Mossander

Ứng dụng của terbium

Việc áp dụngterbichủ yếu liên quan đến các lĩnh vực công nghệ cao, là các dự án tiên tiến thâm dụng công nghệ và tri thức, cũng như các dự án có lợi ích kinh tế đáng kể, có triển vọng phát triển hấp dẫn. Các lĩnh vực ứng dụng chính bao gồm: (1) được sử dụng ở dạng đất hiếm hỗn hợp. Ví dụ, nó được sử dụng làm phân bón hợp chất đất hiếm và phụ gia thức ăn chăn nuôi cho nông nghiệp. (2) Chất kích hoạt bột màu xanh lá cây trong ba loại bột huỳnh quang sơ cấp. Vật liệu quang điện tử hiện đại yêu cầu sử dụng ba màu cơ bản của phốt pho là đỏ, xanh lá cây và xanh lam, có thể được sử dụng để tổng hợp các màu khác nhau. Và terbium là thành phần không thể thiếu trong nhiều loại bột huỳnh quang xanh chất lượng cao. (3) Được sử dụng làm vật liệu lưu trữ quang từ tính. Màng mỏng hợp kim kim loại chuyển tiếp terbium kim loại vô định hình đã được sử dụng để sản xuất đĩa quang từ tính hiệu suất cao. (4) Sản xuất kính quang học từ tính. Kính quay Faraday chứa terbium là vật liệu chính để chế tạo máy quay, bộ cách ly và bộ tuần hoàn trong công nghệ laser. (5) Sự phát triển và phát triển của hợp kim sắt từ terbium dysprosium (TerFenol) đã mở ra những ứng dụng mới cho terbium.

 Đối với nông nghiệp và chăn nuôi

Terbi đất hiếmcó thể cải thiện chất lượng cây trồng và tăng tốc độ quang hợp trong một phạm vi nồng độ nhất định. Các phức chất terbium có hoạt tính sinh học cao, các phức chất terbium Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3-3H2O có tác dụng kháng khuẩn và diệt khuẩn tốt đối với Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis và Escherichia coli, có phổ kháng khuẩn rộng. của cải. Việc nghiên cứu các phức hợp này cung cấp một hướng nghiên cứu mới cho các loại thuốc diệt khuẩn hiện đại.

Được sử dụng trong lĩnh vực phát quang

Vật liệu quang điện tử hiện đại yêu cầu sử dụng ba màu cơ bản của phốt pho là đỏ, xanh lá cây và xanh lam, có thể được sử dụng để tổng hợp các màu khác nhau. Và terbium là thành phần không thể thiếu trong nhiều loại bột huỳnh quang xanh chất lượng cao. Nếu sự ra đời của bột huỳnh quang đỏ TV màu đất hiếm đã kích thích nhu cầu về yttrium và europium, thì việc ứng dụng và phát triển terbium đã được thúc đẩy bởi bột huỳnh quang xanh ba màu cơ bản đất hiếm dùng cho đèn. Đầu những năm 1980, Philips đã phát minh ra bóng đèn huỳnh quang nhỏ gọn tiết kiệm năng lượng đầu tiên trên thế giới và nhanh chóng quảng bá nó trên toàn cầu. Các ion Tb3+ có thể phát ra ánh sáng xanh lục có bước sóng 545nm và hầu hết tất cả các loại bột huỳnh quang màu xanh lá cây đất hiếm đều sử dụng terbium làm chất kích hoạt.

Bột huỳnh quang màu xanh lá cây được sử dụng cho ống tia âm cực TV màu (CRT) luôn chủ yếu dựa trên kẽm sunfua rẻ tiền và hiệu quả, nhưng bột terbium luôn được sử dụng làm bột màu xanh lá cây cho TV màu chiếu, chẳng hạn như Y2SiO5: Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+ và LaOBr: Tb3+. Với sự phát triển của truyền hình độ phân giải cao màn hình lớn (HDTV), bột huỳnh quang màu xanh lá cây hiệu suất cao cho CRT cũng đang được phát triển. Ví dụ, một loại bột huỳnh quang màu xanh lá cây lai đã được phát triển ở nước ngoài, bao gồm Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, LaOCl: Tb3+ và Y2SiO5: Tb3+, có hiệu suất phát quang tuyệt vời ở mật độ dòng điện cao.

Bột huỳnh quang tia X truyền thống là canxi tungstate. Trong những năm 1970 và 1980, bột huỳnh quang đất hiếm dành cho màn chắn nhạy cảm đã được phát triển, chẳng hạn như oxit lanthanum sulfide hoạt tính terbium, oxit lanthanum bromide hoạt tính terbium (cho màn hình xanh) và oxit yttrium sulfide hoạt hóa terbium. So với canxi tungstate, bột huỳnh quang đất hiếm có thể giảm 80% thời gian chiếu tia X cho bệnh nhân, cải thiện độ phân giải của phim X quang, kéo dài tuổi thọ của ống tia X và giảm mức tiêu thụ năng lượng. Terbium cũng được sử dụng làm chất kích hoạt bột huỳnh quang cho màn hình tăng cường tia X y tế, có thể cải thiện đáng kể độ nhạy của việc chuyển đổi tia X thành hình ảnh quang học, cải thiện độ rõ của phim tia X và giảm đáng kể liều phơi nhiễm X- tia tới cơ thể con người (hơn 50%).

Terbicũng được sử dụng làm chất kích hoạt trong phốt pho LED trắng được kích thích bởi ánh sáng xanh để chiếu sáng bán dẫn mới. Nó có thể được sử dụng để sản xuất photpho tinh thể quang học từ nhôm terbium, sử dụng điốt phát sáng màu xanh lam làm nguồn sáng kích thích và huỳnh quang được tạo ra được trộn với ánh sáng kích thích để tạo ra ánh sáng trắng tinh khiết.

Các vật liệu phát quang điện được làm từ terbium chủ yếu bao gồm bột huỳnh quang màu xanh lá cây kẽm sulfua với terbium làm chất kích hoạt. Dưới bức xạ cực tím, các phức hợp hữu cơ của terbium có thể phát ra huỳnh quang màu xanh lá cây mạnh và có thể được sử dụng làm vật liệu phát quang điện màng mỏng. Mặc dù đã đạt được tiến bộ đáng kể trong nghiên cứu màng mỏng điện phát quang phức hợp hữu cơ đất hiếm, nhưng vẫn còn một khoảng cách nhất định so với thực tiễn, và nghiên cứu về màng mỏng và thiết bị điện phát quang phức hợp hữu cơ đất hiếm vẫn còn đi sâu.

Các đặc tính huỳnh quang của terbium cũng được sử dụng làm đầu dò huỳnh quang. Sự tương tác giữa phức hợp ofloxacin terbium (Tb3+) và axit deoxyribonucleic (DNA) đã được nghiên cứu bằng cách sử dụng quang phổ huỳnh quang và hấp thụ, chẳng hạn như đầu dò huỳnh quang của ofloxacin terbium (Tb3+). Kết quả cho thấy đầu dò ofloxacin Tb3+ có thể tạo thành rãnh liên kết với các phân tử DNA và axit deoxyribonucleic có thể tăng cường đáng kể khả năng phát huỳnh quang của hệ thống ofloxacin Tb3+. Dựa trên sự thay đổi này, có thể xác định được axit deoxyribonucleic.

Đối với vật liệu quang từ

Vật liệu có hiệu ứng Faraday hay còn gọi là vật liệu quang từ được sử dụng rộng rãi trong laser và các thiết bị quang học khác. Có hai loại vật liệu quang học từ tính phổ biến: tinh thể quang học từ tính và thủy tinh quang học từ tính. Trong số đó, các tinh thể quang từ (như ngọc hồng lựu yttrium sắt và ngọc hồng lựu terbium gallium) có ưu điểm là tần số hoạt động có thể điều chỉnh và độ ổn định nhiệt cao, nhưng chúng đắt tiền và khó sản xuất. Ngoài ra, nhiều tinh thể quang từ có góc quay Faraday cao có độ hấp thụ cao trong dải sóng ngắn, điều này hạn chế việc sử dụng chúng. So với tinh thể quang học từ tính, thủy tinh quang học từ tính có ưu điểm là độ truyền qua cao và dễ dàng chế tạo thành các khối hoặc sợi lớn. Hiện nay, kính quang từ có hiệu ứng Faraday cao chủ yếu là kính pha tạp ion đất hiếm.

Được sử dụng cho vật liệu lưu trữ quang từ

Trong những năm gần đây, với sự phát triển nhanh chóng của đa phương tiện và tự động hóa văn phòng, nhu cầu về đĩa từ mới dung lượng cao ngày càng tăng. Màng mỏng hợp kim kim loại chuyển tiếp terbium vô định hình đã được sử dụng để sản xuất đĩa quang từ tính hiệu suất cao. Trong số đó, màng mỏng hợp kim TbFeCo có hiệu suất tốt nhất. Vật liệu quang từ dựa trên Terbium đã được sản xuất trên quy mô lớn và các đĩa quang từ làm từ chúng được sử dụng làm thành phần lưu trữ máy tính, với dung lượng lưu trữ tăng gấp 10-15 lần. Chúng có ưu điểm là dung lượng lớn, tốc độ truy xuất nhanh, có thể xóa và phủ hàng chục nghìn lần khi sử dụng cho đĩa quang mật độ cao. Chúng là những vật liệu quan trọng trong công nghệ lưu trữ thông tin điện tử. Vật liệu quang từ được sử dụng phổ biến nhất trong các dải khả kiến ​​và cận hồng ngoại là tinh thể đơn Terbium Gallium Garnet (TGG), đây là vật liệu quang từ tốt nhất để chế tạo bộ quay và bộ cách ly Faraday.

Đối với kính quang học từ tính

Kính quang học từ tính Faraday có độ trong suốt và đẳng hướng tốt ở vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại, đồng thời có thể tạo thành nhiều hình dạng phức tạp khác nhau. Dễ dàng sản xuất các sản phẩm có kích thước lớn và có thể kéo thành sợi quang. Do đó, nó có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị quang từ như bộ cách ly quang từ, bộ điều biến quang từ và cảm biến dòng sợi quang. Do mômen từ lớn và hệ số hấp thụ nhỏ trong vùng khả kiến ​​và hồng ngoại, các ion Tb3+ đã trở thành ion đất hiếm được sử dụng phổ biến trong kính quang học từ tính.

Hợp kim sắt từ Terbium dysprosium

Vào cuối thế kỷ 20, với sự phát triển không ngừng của cuộc cách mạng công nghệ thế giới, các vật liệu ứng dụng đất hiếm mới nhanh chóng xuất hiện. Năm 1984, Đại học bang Iowa, Phòng thí nghiệm Ames của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ và Trung tâm Nghiên cứu Vũ khí Bề mặt của Hải quân Hoa Kỳ (từ đó các nhân sự chính của Tập đoàn Công nghệ Edge (ET REMA) được thành lập sau này đã hợp tác để phát triển một loại vũ khí hiếm mới. vật liệu thông minh trái đất, cụ thể là vật liệu từ giảo sắt từ terbium dysprosium. Vật liệu thông minh mới này có đặc tính tuyệt vời là nhanh chóng chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học. Các bộ chuyển đổi điện âm và dưới nước được làm từ vật liệu từ giảo khổng lồ này đã được cấu hình thành công trong thiết bị hải quân, loa phát hiện giếng dầu, hệ thống kiểm soát tiếng ồn và độ rung cũng như hệ thống liên lạc dưới lòng đất và thám hiểm đại dương. Vì vậy, ngay khi vật liệu từ giảo khổng lồ sắt terbium dysprosium ra đời đã nhận được sự quan tâm rộng rãi từ các nước công nghiệp phát triển trên thế giới. Edge Technologies tại Hoa Kỳ bắt đầu sản xuất vật liệu từ giảo khổng lồ bằng sắt terbium dysprosium vào năm 1989 và đặt tên chúng là Terfenol D. Sau đó, Thụy Điển, Nhật Bản, Nga, Vương quốc Anh và Úc cũng phát triển vật liệu từ giảo khổng lồ bằng sắt terbium dysprosium.

Từ lịch sử phát triển của vật liệu này ở Hoa Kỳ, cả việc phát minh ra vật liệu này và những ứng dụng độc quyền ban đầu của nó đều liên quan trực tiếp đến ngành công nghiệp quân sự (chẳng hạn như hải quân). Mặc dù các cơ quan quân sự và quốc phòng của Trung Quốc đang dần tăng cường hiểu biết về tài liệu này. Tuy nhiên, với sự nâng cao đáng kể sức mạnh quốc gia toàn diện của Trung Quốc, nhu cầu đạt được chiến lược cạnh tranh quân sự thế kỷ 21 và nâng cao trình độ trang bị chắc chắn sẽ rất cấp bách. Do đó, việc sử dụng rộng rãi vật liệu từ giảo khổng lồ sắt terbium dysprosium của các bộ quân sự và quốc phòng sẽ là một nhu cầu lịch sử.

Nói tóm lại, nhiều đặc tính tuyệt vời củaterbilàm cho nó trở thành thành viên không thể thiếu trong nhiều loại vật liệu chức năng và là vị trí không thể thay thế trong một số lĩnh vực ứng dụng. Tuy nhiên, do giá terbium cao nên người ta đã nghiên cứu cách tránh và giảm thiểu việc sử dụng terbium để giảm chi phí sản xuất. Ví dụ, vật liệu quang từ đất hiếm cũng nên sử dụng coban sắt dysprosi hoặc coban gadolinium terbium chi phí thấp càng nhiều càng tốt; Cố gắng giảm hàm lượng terbium trong bột huỳnh quang màu xanh lá cây phải được sử dụng. Giá đã trở thành một yếu tố quan trọng hạn chế việc sử dụng rộng rãi terbium. Nhưng nhiều vật liệu chức năng không thể làm được nếu không có nó, vì vậy chúng ta phải tuân thủ nguyên tắc "sử dụng thép tốt trên lưỡi dao" và cố gắng tiết kiệm việc sử dụng terbium càng nhiều càng tốt.