神秘的稀土,是什么?
稀土,如果只是望文生义地理解,大约是一种十分稀少的土壤。其实,这个名词来自于当年发现它们时的误解,而实际上,稀土并不稀少,当然也不是什么土壤,它是17种某些性能相近的金属元素的统称。1787年,发现了稀土的第一个元素,直到1945年,才发现了稀土的最后一个元素,加起来有将近两百年的历史。
2009年9月28日美国《华尔街日报》称,如果没有稀土,“我们将不再有电视屏幕、电脑硬盘、光纤电缆、数码相机和大多数医疗成像设备。”“没有稀土,你还得告别航天发射和卫星,全球的炼油系统也会停转。”
特殊电子结构让稀土具有奇妙特性
稀土实际上是17个元素的总称,是元素周期表57-71号的15个镧系元素,再加上和它性质相近的21号钪和39号钇元素的总称。
稀土分类的方法多种多样,目前比较通行的分类方法就是分为轻稀土和中重稀土。
稀土的电子层结构跟别的元素不太一样,有个4f电子层,外面的电子数是一样的,它们的性质非常接近。稀土元素由于特殊的原子核外电子结构,而体现出其他诸多元素所不具备的光、电、磁、热等特性,将其加入到传统材料中之后,可赋予这些材料新的特性和性能,并可应用于许多高新技术领域。
中国稀土学会副秘书长张安文说,稀土发现以前,人类也能生活,但发现和运用了稀土以后,我们的生活更精彩。可以说,现代高新技术很多都离不开稀土。
稀土的应用是十分广泛的。主要可以分为发光材料、永磁材料、贮氢材料等几个领域。
没有稀土就没有彩色电视机
中国稀土学会发光专业委员会副主任委员庄卫东说,发光是早期最重要的稀土应用方向,现在也依然非常重要。它的特点是使用重稀土,主要起到激活剂的作用。
发光领域最主要的应用分两大方面,第一就是显示。现在家家户户基本上离不开彩电,但很少有人知道,电视原来只能看到黑白电视,只有有了稀土发光材料,才能出现彩色电视。
说到显示,计算机、手机、照相机……哪一样也离不开显示器,而它们都要用到稀土发光材料。
发光领域应用的另一方面是照明。原来没有稀土之前也可以照明,爱迪生发明的灯泡是不用稀土的,后来的日光灯也可以不含稀土。但是有了稀土以后,制作出来的节能灯光效提高,显色效果也变好,各种各样的装饰效果也都可以出来,让照明进入了一个新的时代。下一代运用稀土的光源是LED灯,因为它比较贵,老百姓现在还很少用,实际上它的光效比节能灯更好,一些公共应用的领域目前正在逐渐展开使用。
还有稀土的长余辉发光材料,在地铁里可以看到,没电的时候也可以发光,可以指引逃生。
在这些发光材料中,稀土的用量虽然不多,却不可缺少,就好比“维生素”一样不可或缺。
每个人身上都可能有四五块稀土
钢铁研究总院教授、博导朱明刚说,如果在发光材料中稀土相当于“维生素”,那么对于稀土永磁等功能材料来说,已经是“骨架”的概念了,它的用量占到总用量的30%左右。
稀土永磁材料最大的应用在电机上。稀土永磁电机的好处就是体积小而且效率高。比如过去我们用铁氧体的电机在电梯上,不但体积大,而且一年需要维修好多次。稀土永磁电机安全可靠性比较好,可以大大减少维修工作量以及由此带来的麻烦。
现在到医院检查普遍用到核磁共振,这里面使用的就是稀土永磁材料,大概每一台用2吨至5吨。相比之下,如果使用铁氧体就需要20吨。我们现在用的高效、节能变频空调,也需要用到稀土永磁材料。
现代高技术产品中很多都需要用到稀土材料,比如电脑硬盘驱动器里的驱动电机需要稀土永磁材料,手机、数码相机要用到稀土永磁材料,耳机要用到稀土高频材料,甚至眼镜中也会用到稀土材料。可以说,我们每个人身上都可能有四五块稀土。
电动汽车发展对稀土有极大需求
朱明刚说,稀土另一个重要的用途就是作为稀土贮氢材料。我们现在所有的五号、七号充电电池,大部分是镍氢电池,这种材料是上世纪六十年代飞利浦公司发现的,具有优异的贮氢性能。
稀土作为贮氢材料,电动汽车将是最大的一个应用市场,电动汽车最需要解决的是两个问题,一个是驱动电机,需要用到永磁材料,再有就是电池的问题。过去的电池,放六个月电量就衰减70%,放到两年就衰减没了。现在研究的下一代电池,自放电率非常少,到了三年的时候,还有75%,一节放电率低的镍氢电池可以充电使用一千到两千次。
导弹制导系统离不开稀土材料
有人把稀土金属称为“战争金属”,几乎所有高科技武器都有稀土的身影。稀土永磁材料主要用于制造惯性导航系统的各类陀螺仪、加速度计、力矩电机等核心惯性测量元件,这些测量元件主要用于测量飞机、舰船、导弹等物体的运动参数,计算出实际运动的轨迹,使打击精度更高。现在几乎所有的导弹上都使用这种惯性导航系统。
在伊拉克战争中,为什么美国的M1坦克总是能够先发现敌情并进行准确打击?因为该坦克装备了稀土材料的激光测距机,这种测距机在晴朗的白天观瞄距离可以达到4000米,而普通T-72坦克的激光测距机在相同的条件下测距不超过2000米。
我国的潜艇,过去噪声比较大,一出去就被别人发现了。现在改用永磁电机推进的核潜艇,静音效果是非常好的。
其实,除了我们上面列举的这些,稀土应用的广泛简直可以出乎你的意料。比如,现代纺织品用稀土去染色,色彩非常鲜艳,在不同的阳光下有不同的颜色。稀土用到化妆品防晒霜上可以把紫外线转为红外线,减少紫外线对皮肤的灼伤,还有增白的效果。可以说,在现代世界中,稀土已经渗透到我们生活的各个方面。
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