镨在化学元素周期表中位居镧系元素的第三位,在地壳中的丰度为9.5ppm,仅低于铈、钇、镧、钪,是稀土中第五大富存元素.但正如他的名字一样,镨是个朴素无华,个性似乎不太突出的稀土家族成员。
镨作为用量较大的稀土元素,很大一部分是以混合稀土的形式被利用,比如用作金属材料的净化变质剂、化工催化剂、农用稀土等等。镨钕是稀土中性质最为相似又最难分离的一对元素,用化学法很难将其分离,工业生产通常采用萃取法和离子交换法。如果把他们成双入对地以镨钕富集物形式使用,可以充分发挥其共性作用,价格也比单一元素产品便宜。镨钕合金(镨钕金属)已成为独立产品,既可用于永磁材料,也可作为有色金属合金改性添加剂。以镨钕富集物的形式加入Y型沸石分子筛中制备石油裂化催化剂,可提高催化剂的活性、选择性和稳定性。作为塑料改性添加剂,在聚四氟乙烯(PTFE)中加入镨钕富集物,可明显提高PTFE的耐磨性能。
稀土永磁材料是当今最热门的稀土应用领域。镨单独用作永磁材料性能并不突出,但他却是一个能改善磁性能的优秀协同元素。无论是第一代稀土永磁材料钐钴永磁合金(SmCo5),还是第三代稀土永磁材料钕铁硼(Nd2Fe17B),加入适量的镨都能有效地提高和改善永磁材料性能。如在SmCo5中加入部分Pr取代Sm可以提高永磁材料的磁能积,两者的比例一般为80%Sm—20%Pr,若镨加入过多反而会降低材料的矫顽力和稳定性。在第三代稀土永磁材料钕铁硼中,添加镨可以提高材料的矫顽力,德国、日本等国在生产高矫顽力钕铁硼磁体时,均加入部分镨。镨的加入量为5%~8%,最高达10%,可取代1/3的钕。磁性材料对镨质量要求较高,至少应达到钕的同等质量。加入镨还能提高磁体抗氧化性能(耐空气腐蚀)和机械性能,已被广泛应用于各类电子器件和马达上。另外,在钐铁氮新型稀土粘结永磁材料(Sm)2Fe17N9中加Pr也能改善性能,这将进一步扩大镨的应用。因此,随着镨在永磁材料的应用发展,镨的用量和价格不断攀升,已成为稀土产品中的“新宠”。
镨还可用于研磨和抛光材料。众所周知,纯铈基抛光粉通常为淡黄色,是光学玻璃的优质抛光材料,已取代抛光效率低又污染生产环境的氧化铁红粉。但人们发现,氧化钕对抛光作用不大,但镨却有良好的抛旋光性能。含镨的稀土抛光粉会呈红褐色,也被称作“红粉”,但这种红不是氧化铁红,而是由于含有氧化镨使稀土抛光粉颜色变深。镨还被用新型磨削材料,制成含镨刚玉砂轮。与白刚玉相比,在磨削碳素结构钢、不锈钢、高温合金时,效率和耐用性可提高30%以上。为了降低成本,过去多用镨钕富集物为原料,故称镨钕刚玉砂轮。
镨在光纤领域的用途也越来越广,已开发出在1300~1360nm谱区起放大作用的掺镨光纤放大器(PDFA),技术日趋成熟。PDFA以其优异的性能价格比,对我国当前大量铺设的1550nm的CATV系统光纤有线电视的兴建改造与系统升级有着重大的实际意义。PDFA将从根本上改变现有的1550nmCATV的网络格局,使1310nmCATV系统在HFC系统改造中成为替代1550nm系统的理想选择。
镨盐(草酸或碳酸盐)经高温灼烧,可形成棕黑色的氧化物Pr6O11,其构成就如同4个PrO2和1个Pr2O3的组合,表明镨有很强的呈正4价倾向。将氧化镨加入硅酸锆中会呈亮黄色,可用作陶瓷颜料——镨黄。镨黄(Zr02—Pr6Oll—Si02)被认为是最好的黄色陶瓷色料,在高达1000℃仍保持稳定,可用于一次性或重烧工艺。镨还被用作玻璃着色剂,色彩丰富,也有很大的潜在市场。可制得具有鲜亮韭绿和葱绿色彩的“镨绿”玻璃制品,既可制作绿色滤光片,又可用于工艺美术玻璃。在世界闻名的意大利威尼斯和捷克的水晶玻璃中都会看到镨的亮绿色彩。在玻璃中加入氧化镨和氧化铈,可用作电焊用的护目镜玻璃。硫化镨还有望成为实用的绿色塑料着色剂。
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