【知識】稀土元素 鈧的應用

鈧及其化合物具有一些特殊性質，使其在電光源、宇航、電子工業、核技術、超導技術等方面得到廣泛應用。表1列出了目前鈧的一些主要用途。然而，由於富含鈧的礦物稀少，鈧的分離提取比較困難，致使鈧及其化合物的價格昂貴，從而影響了它的應用。 

                               表1  鈧的主要應用領域 

            類別                                         用途 

氧化鈧  純度〉99.9%  高效多功能雷射器；固體電解質；特種陶瓷
Sc-Al中間合金            鋁鎂基合金的最有效改進劑；生產導彈和製造航天器、汽車、船舶等
金屬鈧  純度〉99.99%    光學工程—大功率金屬鹵素燈，太陽能蓄電池；高能輻射用核能遮罩 
    
1.1  新型電光源材料和光學材料 

鈧作為電光源材料，用碘化鈧（ScI3）和鈧箔製成的金屬鹵化燈—鈧鈉燈，早已進入商品市場。該燈是一種鹵化物放電燈，在高壓放電下，充有NaI/ScI3管內的鈉原子和鈧原子受激發，當從高能級的激發態跳回到較低能級時，就輻射出一定波長的光。鈉的譜線為589~589.6nm黃色光,鈧的譜線為361.3~424.7nm的近紫外和藍色光，鈧、鈉兩種譜線匹配恰好接近太陽光。回到基態的鈧、鈉原子又能與碘化物化合成，這樣迴圈可在燈管內保持較高的原子濃度並延長使用壽命。一盞相同照度的鈧鈉燈，比普通白熾燈節電80%，使用壽命長達5000~25000hr。正是由於鈧鈉燈具有發光效率高、光色好、節電、使用壽命長和破霧能力強等特點，使其可廣泛用於電視攝像和廣場、體育館、馬路照明,被稱為第三代光源。美國鹵化燈的普及率已超過50%，每年產高壓鈉燈超過1000萬隻，日本的產品也超過1000萬隻，鈧的用量達40Kg以上。我國在這方面起步較晚,但也已實行了“大換燈”計畫。全球性的鹵化燈的發展和普及正在日益擴大，對鈧的需求量也將變得更加迫切。 

將純度為99.9~99.99%的Sc2O3加入到釔鎵石榴石（GGG）制得釔鎵鈧石榴石（GSGSS），後者的發射功率較前者提高了三倍。GSGG可用於反導彈防禦系統、軍事通訊、潛艇用水下雷射器以及工業各領域，主要應用者為美國和日本。 

含Sc2O3的 LiNbO3 晶體的二次光折射率降低,適於製造參數頻率選擇器、波導管和光導開關。在光學玻璃、矽酸鹽玻璃和硼玻璃中添加鈧，可以提高玻璃的折射指標，改善反射性能。氟化鈧玻璃可以製作光譜中紅外區光導纖維。 

1.2  新型含鈧合金材料 

鈧對鋁合金具有非常神奇的合金化作用，在鋁中只要加入千分之幾的鈧就會生成Al3Sc新相，對鋁合金起變質作用，使合金的結構和性能發生明顯變化。加入0.2%~0.4%Sc可使合金的再結晶溫度提高150~200OC，且高溫強度、結構穩定性、焊接性能和抗腐蝕性能均明顯提高,並可避免高溫下長期工作時易產生的脆化現象。

通過添加微量鈧有希望在現有鋁合金的基礎上開發出一系列新一代鋁合金材料,如超高強高韌鋁合金、新型高強耐蝕可焊鋁合金、新型高溫鋁合金、高強度抗中子輻照用鋁合金等，在航太、航空、艦船、核反應爐以及輕型汽車和高速列車等方面具有非常誘人的開發前景。據報導，在該方面研究最早、最深入的俄羅斯已經開發出了一系列性能優良的鋁合金，並正在走向推廣應用和工業化生產。1420合金已廣泛用作米格-29、米格-26型飛機，圖-204客機及雅克-36垂直起落飛機等的結構件。1421合金還以擠壓異形材的形式用於安東諾夫運輸機作機身的縱梁.此外，美、日、德和加拿大以及中國、韓國等也相繼展開對鈧合金的研究。近幾年，美國已將鈧鋁合金用於製造焊絲和體育器械（例如棒球和壘球棒，曲棍球杆，自行車橫樑等），鈧鋁合金製造的棒球棒和壘球棒已在多項世界大賽及夏季奧運會的比賽中得到使用。 

由於鈧的熔點（1540℃）遠比鋁的熔點（660℃）高,鈧的密度（3.0g/cm2）則與鋁的密度（2.7g/cm3）相近，曾考慮用鈧代替鋁作火箭和宇航器中的某些結構材料。美國在研究太空船的結構材料時要求在920℃下材料還應具有較高的強度和抗腐蝕穩定性，且比重要小，據認為鈧鈦合金和鈧鎂合金是具有熔點高，比重小和強度大等特點的理想材料之一。鈧也是鐵的優良改化劑，少量鈧可顯著提高鑄鐵的強度和硬度。鈧也可用作高溫鎢和鉻合金的添加劑。 

1.3  特種陶瓷 

氧化鈧比其他具有類似特性的金屬氧化物的價格要高得多，因而在陶瓷中應用得並不很普遍。然而，氧化鈧以其獨特的性質在一些高級陶瓷中具有特殊用途，其中最突出的是作為氧化鋯的穩定劑和氮化矽的緻密助劑以及用於合成特定鐵電陶瓷。此外，鈧也可用來對碳化矽以及氮化鋁進行改性。 

1.3.1  氧化鋯穩定劑 

氧化鋯基電解質用作許多電化學器件。氧化鋯中加入一些特定氧化物可以穩定其立方相或四方相而形成氧離子空穴。在一定溫度和氧氣分壓範圍內這種電解質的氧離子電導有很大增加，可用來開發氧感測器。這種氧感測器件可用於冶金工業燃燒過程的監控以及用作固體氧化物燃料電池（SOFC）。燃料電池是一種直接將燃料能轉化為電能的新型電池，具有很高的能量轉化率，被認為是21是世紀的新能源之一，對克服人類所面臨的能源危機具有重大意義。SOFC是繼磷酸鹽燃料電池和熔融碳酸鹽型燃料電池後發展起來的第三代全固態化電池，具有高可靠性、高的能量品質比和能量體積比、構造簡單和污染少等優點，已成為各國竟相發展的重點對象。 

目前的固體電解質多採用8mol%Y2O3作穩定劑的ZrO2(YSZ)，1000 ℃時的電導率為0.16S/cm。6~10mol%的氧化鈧可以穩定氧化鋯的立方相，在800~1000℃產生很高的離子電導率。Sc2O3作穩定劑的ZrO2(SSZ)電解質中，當含8mol% Sc2O3時具有最大的氧離子淌度，1000℃時的電導率為0.38S/cm。四方相Sc2O3穩定的ZrO2（2.9 mol%Sc2O3）的電導率也比氧化釔或YSZ的要高。有人對SSZ（11 mol%  Sc2O3）在1000℃進行了2000小時的測試，發現這種電解質的電導率穩定在0.31S/cm。氧化鋁顆粒在SSZ表面的分散會降低其離子電導.卻使其彎曲強度增加了40-50%，從而更適合於開發SOFC。日本研製的平板SOFC，以SSZ（8mol% Sc2O3）替代YSZ（8mol% Sc2O3），使SOFC的功率密度提高到1.6W/cm2，為後者的1.5~2倍，明顯提高了SOFC的可用性。SSZ很少在高於1100~1200℃的溫度下使用，此溫度下它的電導率和機械性能會隨時間而降低。

基於四方氧化鈧穩定的氧化鋯氧感測器已實現商業化，應用於一些現場控制，但尚未得到廣泛使用。SSZ（4.5mol% Sc2O3）用於氣體渦輪機和柴油發動機的熱絕緣塗層時，表現出良好的抗腐蝕性。SSZ以其相對低密度、低蒸氣壓以及固相穩定性等特點而成為一種很有前途的結構材料。

1.3.2  氮化矽緻密助劑 

在氮化矽中添加氧化鈧作為增密劑與添加其他氧化物相比，可以提高其高溫機械性能。這種氧化鈧緻密的氮化矽（Sc2O3-Si3N4）還具有在乾燥或潮濕環境中很高的抗氧化性。氧化鈧還是氮化矽的良好燒結助劑，它不易生成四價金屬和矽的氮氧化物，從而避免了因氧化膨脹而導致的開裂。這種優異的高溫抗變形性，可歸結於在細小顆粒的邊緣生成了難熔相Sc2Si2O7.在室溫和1370OC下進行快速斷裂抗擾試驗,Sc2O3-Si3N4的快折斷強度分別為748MPa和496MPa,比其他稀土緻密的氮化矽的快折斷強度大得多.而且,Sc2O3-Si3N4的抗蠕變性的數值比MgO-Si3N4高一到兩個數量級.Sc2O3-Si3N4在1300℃的空氣中氧化100個小時的重量為0.1mg/cm3，僅為相同條件下Y2O3-Si3N4的一半。鈧SiAlON(β’-(Sc-Si-Al-O-N))陶瓷也具有良好的抗氧化性。 

1.3.3  鐵電陶瓷 

氧化鈧可用于製造基於張弛振盪器的鐵電陶瓷：鉭酸鉛鈧PbSc0.5Ta0.5O3(PST)和鈮酸鉛鈧PbSc0.5 Nb0.5O3(PSN)。PSN具有大的機電耦合指數和高的介電常數，是一種可用於轉換器的很有前途的材料。PST在偏壓作用下呈現反熱電效應，可用於熱量的探測器。 

1.4  電子及電磁學材料 

鈧作為氧化物陰極的啟動劑用於電子陰極管，可大大增加熱電子發射，提高電子管陰極壽命，從而適應當前顯像管、顯示管、投影管向高清晰度、高亮度、大型化方向發展的需要。日本三菱、東芝、日立、松下等公司都在竟相開發新型彩色顯像管陰極。這種塗有鈧層的新型陰極，使用壽命長達3萬小時，為一般陰極的3倍，且畫面明亮，清晰度高，圖像也更鮮明。 

Sc2Se3和Sc2Te3是半導體材料；Sc2S3可作熱敏電阻和熱電發生器；ScB6可作電子管陰極；Sc2O3單晶用於儀器製造。鈧的倍半亞硫酸鹽以其熔點高、空氣中蒸發壓力小的特點，在半導體應用上引起人們極大興趣.用氧化鈧取代鐵氧體中部分氧化鐵，可提高矯頑力，從而使電腦記憶元件性能提高。少量鈧加到釔鐵石榴石中可改進磁性。鈧代替鐵使其磁距和磁導增強，並使居裏溫度降低，有利於在微波技術中應用。鈧和稀土元素可用於制高品質鐵基永磁材料。Sc-Ba-Cu-O系超導材料，實驗臨界溫度達98K水準。

1.5  能源和放射化學 

金屬鈧熱穩定性好，吸氟性能強，已成為原子能工業不可缺少的材料。用鈧片製成的氟鈧靶裝在加速器中，可進行各種核子物理實驗；裝在中子發生器中可產生高能中子,是活化分析、地質探礦等的中子源。由於鈧原子半徑與釙相似.它可作富δ相的穩定劑。在高溫反應堆UO2核燃料中加入少量Sc2O3可避免UO2變成U3O8,發生晶格轉變、體積增大和出現裂紋。鈧經過照射產生放射性同位素Sc46可作為γ射線源和示蹤原子而用於科研和生產各個方面，醫療上用它治療深部惡性癌瘤。鈧的氘化物（ScD3）和氚化物（ScT3）用於鈾礦體探測器元件。在金屬—絕緣體—半導體矽光電池和太陽能電池中，鈧是最好的阻擋金屬，其效率為10~15%，AgO鹼性蓄電池的AgO陰極中加Sc2O3可防止高溫蓄電時AgO分解釋出氧並改進電池效率。 

1.6    催化劑 

石油工業是目前工業上應用鈧較多的部門之一。含Sc2O3的Pt-Al催化劑用於重油氫化提淨，精煉石油。Sc2O3可用於乙醇或異丙醇脫水和去氧、乙酸分解，由CO和H2制乙烯，由廢鹽酸生產氯氣，以及CO和N2O氧化等的催化劑。活性氧化鋁浸漬ZrO(NO3)2、Sc(NO3)3、H2PtCl6和RhCl3後煆燒所制得催化劑，可用於淨化汽車尾氣等高溫廢氣。在異丙基苯裂化時，ScY沸石催化劑比矽酸鋁的活性大1000倍。


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