稀土元素鐠及其應(yīng)用

　　鐠在化學(xué)元素周期表中位居鑭系元素的第三位,在地殼中的豐度為9.5ppm,僅低于鈰、釔、鑭、鈧,是稀土中第五大富存元素.但正如他的名字一樣,鐠是個(gè)樸素?zé)o華,個(gè)性似乎不太突出的稀土家族成員。

　　在稀土元素的發(fā)現(xiàn)史上，鐠和釹是同時(shí)被發(fā)現(xiàn)的。1841年，那位曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)了鑭的瑞典化學(xué)家莫桑德爾(C.G. Mosander)從“鑭土”中發(fā)現(xiàn)了新“元素”，性質(zhì)與鑭非常相似，將其定名“迪迪姆”（Didymium，希臘語為“雙胞胎”的意思），但它不是單一元素，而是鐠釹化合物。又過了40多年，那位曾經(jīng)發(fā)明了釷鈰汽燈紗罩的奧地利人韋爾斯巴赫（C.F.Auer Von Welsbach）,也正是在發(fā)明汽燈紗罩的1885年，成功地將“鐠釹”這對(duì)“連體雙胞胎”實(shí)施了分離手術(shù)，從中分離出綠色的鐠鹽和玫瑰色的釹鹽，確定它們是兩種新元素。一個(gè)取名為“鐠” （Praseodymium），來自希臘字prason，意思是綠色化合物,因?yàn)殓掻}水溶液會(huì)呈現(xiàn)出鮮艷的蔥綠色；另一個(gè)元素則取名為“釹” （Neodymium）。這對(duì)“連體雙胞胎”的成功分離，使他們從此可以各自施展才華。

　　鐠作為用量較大的稀土元素，很大一部分是以混合稀土的形式被利用，比如用作金屬材料的凈化變質(zhì)劑、化工催化劑、農(nóng)用稀土等等。鐠釹是稀土中性質(zhì)最為相似又最難分離的一對(duì)元素，用化學(xué)法很難將其分離，工業(yè)生產(chǎn)通常采用萃取法和離子交換法。如果把他們成雙入對(duì)地以鐠釹富集物形式使用，可以充分發(fā)揮其共性作用，價(jià)格也比單一元素產(chǎn)品便宜。鐠釹合金（鐠釹金屬）已成為獨(dú)立產(chǎn)品，既可用于永磁材料，也可作為有色金屬合金改性添加劑。以鐠釹富集物的形式加入Y型沸石分子篩中制備石油裂化催化劑，可提高催化劑的活性、選擇性和穩(wěn)定性。作為塑料改性添加劑，在聚四氟乙烯（PTFE）中加入鐠釹富集物，可明顯提高PTFE的耐磨性能。

　　稀土永磁材料是當(dāng)今最熱門的稀土應(yīng)用領(lǐng)域。鐠單獨(dú)用作永磁材料性能并不突出，但他卻是一個(gè)能改善磁性能的優(yōu)秀協(xié)同元素。無論是第一代稀土永磁材料釤鈷永磁合金（SmCo5），還是第三代稀土永磁材料釹鐵硼（Nd2Fe17B），加入適量的鐠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積，兩者的比例一般為80%Sm—20%Pr，若鐠加入過多反而會(huì)降低材料的矯頑力和穩(wěn)定性。在第三代稀土永磁材料釹鐵硼中，添加鐠可以提高材料的矯頑力，德國、日本等國在生產(chǎn)高矯頑力釹鐵硼磁體時(shí)，均加入部分鐠。鐠的加入量為5％～8％，最高達(dá)10％，可取代1／3的釹。磁性材料對(duì)鐠質(zhì)量要求較高，至少應(yīng)達(dá)到釹的同等質(zhì)量。加入鐠還能提高磁體抗氧化性能（耐空氣腐蝕）和機(jī)械性能，已被廣泛應(yīng)用于各類電子器件和馬達(dá)上。另外，在釤鐵氮新型稀土粘結(jié)永磁材料(Sm)2Fe17N9中加Pr也能改善性能，這將進(jìn)一步擴(kuò)大鐠的應(yīng)用。因此，隨著鐠在永磁材料的應(yīng)用發(fā)展，鐠的用量和價(jià)格不斷攀升，已成為稀土產(chǎn)品中的“新寵”。

　　鐠還可用于研磨和拋光材料。眾所周知，純鈰基拋光粉通常為淡黃色，是光學(xué)玻璃的優(yōu)質(zhì)拋光材料，已取代拋光效率低又污染生產(chǎn)環(huán)境的氧化鐵紅粉。但人們發(fā)現(xiàn)，氧化釹對(duì)拋光作用不大，但鐠卻有良好的拋光性能。含鐠的稀土拋光粉會(huì)呈紅褐色，也被稱作“紅粉”，但這種紅不是氧化鐵紅，而是由于含有氧化鐠使稀土拋光粉顏色變深。鐠還被用新型磨削材料，制成含鐠剛玉砂輪。與白剛玉相比，在磨削碳素結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼、高溫合金時(shí)，效率和耐用性可提高30%以上。為了降低成本，過去多用鐠釹富集物為原料，故稱鐠釹剛玉砂輪。

　　鐠在光纖領(lǐng)域的用途也越來越廣，已開發(fā)出在1300~1360nm譜區(qū)起放大作用的摻鐠光纖放大器（PDFA），技術(shù)日趨成熟。PDFA以其優(yōu)異的性能價(jià)格比，對(duì)我國當(dāng)前大量鋪設(shè)的1550nm的CATV系統(tǒng)光纖有線電視的興建改造與系統(tǒng)升級(jí)有著重大的實(shí)際意義。PDFA將從根本上改變現(xiàn)有的1550nmCATV的網(wǎng)絡(luò)格局,使1310nmCATV系統(tǒng)在HFC系統(tǒng)改造中成為替代1550nm系統(tǒng)的理想選擇。

　　鐠鹽(草酸或碳酸鹽)經(jīng)高溫灼燒，可形成棕黑色的氧化物Pr6O11，其構(gòu)成就如同4個(gè)PrO2和1個(gè)Pr2O3的組合,表明鐠有很強(qiáng)的呈正4價(jià)傾向。將氧化鐠加入硅酸鋯中會(huì)呈亮黃色，可用作陶瓷顏料——鐠黃。鐠黃(Zr02—Pr6Oll—Si02)被認(rèn)為是最好的黃色陶瓷色料，在高達(dá)1000℃仍保持穩(wěn)定，可用于一次性或重?zé)に?。鐠進(jìn)入硅酸鋯晶格，占材料成份約5％。鐠黃被廣泛應(yīng)用于建筑陶瓷和日用陶瓷著色，可單獨(dú)作釉下顏料，也可與陶瓷釉混合制成色釉，其著色鮮艷亮麗，色澤純正，隨含鐠量的多少，可深至琥珀黃，淺至乳白黃，用其代替?zhèn)鹘y(tǒng)的釩錫黃和釩鋯黃，可克服原先的褐色調(diào)，用來制作衛(wèi)生和建筑陶瓷，色調(diào)高潔淡雅。用其可制作獨(dú)特的仿象牙工藝美術(shù)和日用陶瓷，色彩亮麗精美，深受陶瓷業(yè)的青睞。我國、意大利和西班牙，作為建筑瓷磚的主要生產(chǎn)國，都擁有很大的鐠黃消費(fèi)市場。通過氧化鐠與其他元素配伍，還能調(diào)配出鋯鐠釩綠、鋯鐠釩橙等陶瓷色料。調(diào)整氧化鐠與五氧化二釩的比例，還可制作出黃色與天藍(lán)之間色調(diào)的陶瓷色料。在鐠黃中加入CeO2，能形成略帶紅色的嬌黃色。全球用作鐠黃為主的陶瓷著色劑消費(fèi)的氧化鐠估計(jì)上千噸。

　　鐠還被用作玻璃著色劑，色彩豐富，也有很大的潛在市場?？芍频镁哂絮r亮韭綠和蔥綠色彩的“鐠綠”玻璃制品，既可制作綠色濾光片，又可用于工藝美術(shù)玻璃。在世界聞名的意大利威尼斯和捷克的水晶玻璃中都會(huì)看到鐠的亮綠色彩。在玻璃中加入氧化鐠和氧化鈰，可用作電焊用的護(hù)目鏡玻璃。硫化鐠還有望成為實(shí)用的綠色塑料著色劑。

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