Редкоземельные элементы — свойства и применение.
Требования к современным материалам, применяемым в науке и технике, обусловлены высокими параметрами технологических процессов при эксплуатации изделий, применяемых в этих процессах.
Олимпийский девиз — «Быстрее, Выше, Сильнее», в высшей степени применим к этим изделиям. Поэтому, создание современных материалов для промышленности, науки, обороны — становится актуальной задачей нашего времени, а применение редкоземельных элементов, для этих целей, становится первоочередной задачей.
Жаростойкость и химостойкость, создание новых свойств сталей, создание пластичных сталей для качественной прокатки, создание высокочистых тугоплавких металлов, создание магнитных сплавов с высокоэнергетическими свойствами, значительное улучшение механических свойств алюминиево-магниевых сплавов и улучшение их химических свойств, это, и ещё многое другое, достигается с помощью добавок в основные материалы, небольшого количества редкоземельных элементов.
Что же такое редкоземельные элементы?
При рассмотрении таблицы Менделеева, мы видим, что элементы, в шестом ряду, между барием и гафнием, можно выделить в особую подгруппу, очень похожих между собой элементов. Из-за их близкого сходства, совместного нахождения в одних и тех же природных минералах, отыскание и разделение их, представляло очень сложную задачу в течение всей истории открытия этих элементов. Это «семейство близнецов», носит название — лантаноиды, а в историю открытий , они вошли под названием «редкие земли». Это название они получили, из-за того, что минералы, в которых они были найдены, были очень редкими в земной коре, а также из-за трудности разделения этих элементов, для их получения в чистом виде.
Название «редкие земли», в наше время, стало не совсем корректным, т.к. суммарное содержание этих элементов в земной коре, по массе доходит до 0,02%, что выше, чем содержание в ней молибдена, вольфрама и свинца. Однако, рудное сырьё для получения этих элементов, сильно рассеяно, качество и состав — неравномерны, что значительно усложняет, а следовательно, удорожает их разделение и производство.
Сходство свойств редкоземельных элементов, которые являются, прежде всего, металлами, определяется особыми состояниями внешних электронных оболочек их атомов и очень близкими атомными радиусами, что также является препятствием для выделения редкоземельных элементов, их очистки и разделения.
В наше время, к редкоземельным элементам (РЗМ) относят 17 металлов, в том числе скандий (Sc), иттрий (Y), лантан (La) и элементы лантаноиды, которых, в таблице Менделеева всего 14. Иногда РЗМ разделяют на подгруппы, лёгкие — (La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Sc , Pm) и тяжёлые — (Y, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Ty, Yb, Lu).
-
Скандий (Sc) в прочных алюминиевых сплавах для аэрокосмической промышленности, в микролигатурах, в люминофорах, лазерах, в изделиях лазерной энергетики.
-
Иттрий (Y) в жаростойких керамиках и огнеупорах, в лигатурах спецсплавов, в электродах из вольфрама.
-
Лантан (La) в аккумуляторах, в электронных и оптических приборах, при изготовлении спецстекла и керамики. В производстве плутония, мишметалла (20-45 % La) и чистого металла — лигатуры для жаропрочных и химостойких сплавов.
-
Церий (Ce) в металлургии, в качестве модификатора чёрных металлов, искусственных кремня и гирофора, катализаторов в химии и нефтехимии.
-
Празеодим (Pr) в изготовление лазеров, термопар, магнитных и оптических материалов.
-
Неодим (Nd) — производство мощных постоянных магнитов, лигатур для титана и его сплавов, приборов для оптики.
-
Прометий (Pm) — пока не применяется , из-за малого распространения.
-
Самарий (Sm) — производство постоянных магнитов, производство материалов поглощающих радиоактивность в ядерной энергетике.
-
Европий (Eu) применяется мало.
-
Гадолиний (Gd) — производство лазеров, сверхпроводников.
-
Тербий (Tb) — производство магнитострикционных материалов, постоянных магнитов.
-
Диспрозий (Dy) — применяется по аналогии с другими РЗМ.
-
Гольмий (Ho) — применяется мало.
-
Эрбий (Er) — производство оптических материалов, лазеров, волоконной оптики.
-
Тулий (Tm) — применяется ограниченно, из-за высокой стоимости.
-
Иттербий (Yb) — материалы для лазеров, термоэлектрических сплавов, лазеров.
-
Лютеций (Lu) — применяется по аналогии с другими РЗМ.
Наиболее массово РЗМ применяются при производстве мощных постоянных магнитов. Создаваемое ими магнитное поле удерживает груз в 100-1000 раз тяжелее самого магнита. Эти свойства новых магнитов, нашли широкое применение в авиационной и ракетной технике, в приводах дисководов компьютеров, в магнетронах радиолокаторов и устройствах СВЧ, в бытовых микроволновках, в миниатюрных двигателях гибридных автомобилей.
Основными областями применения РЗМ являются:
Постоянные магниты высоких энергий (22% от всего объёма РЗМ), современные конструкционные материалы (19%), катализаторы для автопрома (18%), оптика высокого качества (15%).
Рост потребления РЗМ предполагается в связи с:
-
увеличением количества альтернативных источников энергии (солнечные батареи, ветрогенераторы);
-
ужесточение экологических требований, что даст рост производства катализаторов для горючего автомобилей, присадок к дизельному топливу;
-
увеличение количества энергосберегающих технологий, что даст, в свою очередь, рост производства гибридных автомобилей, увеличение потребления люменисцентных ламп, светодиодов, сверхпроводников;
-
увеличение количества новых конструкционных материалов (в авиапромышленности, в космонавтике, автопроме, в трубопроводной отрасли), что даст рост применения РЗМ при получении стали, чугуна, алюминия и других цветных металлов. Для создания вооружений и военной техники, трудно переоценить применение РЗМ, как важнейшего компонента для производства современных материалов для нужд обороны.