【知识】稀土金属矿物原料特点

稀土元素在地壳中平均含量为165.35×10-6(黎彤,1976)。在自然界中稀土元素主要以单矿物形式存在,目前世界上已发现的稀土矿物和含稀土元素的矿物有250多种,其中稀土含量ΣREE>5.8%的有50~65种,可视为稀土独立的矿物。重要的稀土矿物主要为氟碳酸盐和磷酸盐。稀土矿物总的特点:一是缺少硫化物和硫酸盐(只有极个别的),这说明稀土元素具有亲氧性;二是稀土的硅酸盐主要是岛状,没有层状、架状和链状构造;三是部分稀土矿物(特别是复杂的氧化物及硅酸盐)呈现非晶质状态;四是稀土矿物的分布,在岩浆岩及伟晶岩中以硅酸盐及氧化物为主,在热液矿床及风化壳矿床中以氟碳酸盐、磷酸盐为主。富钇的矿物大部分都赋存在花岗岩类岩石和与其有关的伟晶岩、气成热液矿床及热液矿床中;五是稀土元素由于其原子结构、化学和晶体化学性质相近而经常共生在同一个矿物中,即铈族稀土和钇族稀土元素常共存在一个矿物中,但这类元素并非等量共存,有些矿物以含铈族稀土为主,有些矿物则以钇族为主。

在目前已发现的250多种稀土矿物和含稀土元素的矿物,适合现今选冶条件的工业矿物仅有10余种:

1、含铈族稀土(镧、铈、钕)的矿物:氟碳铈矿、氟碳钙铈矿、氟碳铈钙矿、氟碳钡铈矿和独居石。

2、富钐及钆的矿物:硅铍钇矿、铌钇矿、黑稀金矿。

3、含钇族稀土(钇、镝、铒、铥等)的矿物:磷钇矿、氟碳钙钇矿、钇易解石、褐钇铌矿、黑稀金矿。


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【知识】镧矿

银白色的软金属,有延展性。化学性质活泼。易溶于稀酸。在空气中易氧化;加热能燃烧,生成氧化物和氮化物。在氢气中加热生成氢化物,在热水中反映强烈并放出氢气。镧存在于独居石沙和氟碳铈镧矿中。

元素来源:

镧的制备一般由水合氯化镧经脱水后,用金属钙还原,或由无水氯化镧经熔融后电解而制得。

在潮湿空气中迅速失去光泽,生成无色化合物,它存在于稀土矿中,通常把它归在稀土族内,是混合稀土的一种主要成分

元素用途:可制合金,亦可做催化剂。

因此,常用来制造昂贵的照相机镜头。镧138是放射性的,半衰期为1.1×1011年,曾被试用来治疗癌症。

元素辅助数据:

铈和钇被发现后,虽然一些化学家们意识到,它们不是纯净的元素,但是直到它们被发现大约40年后,由于瑞典化学家莫桑德尔等人耐心的分析才把谜解开。

莫桑德尔是贝齐里乌斯的学生和助手,他对发现和研究稀土元素作出较大贡献。1839年他将硝酸铈加热分解,发现只有一部分溶解在硝酸中。他把溶解的氧化物称为镧土(lanthana),元素称为lanthanum(镧),元素符号是La,来自希腊文lanthanō(“隐藏”)。

镧以及接着发现的铒、铽打开了发现稀土元素的第二道大门,是发现稀土元素的第二阶段。他们的发现是继铈和钇两个元素后又找到稀土元素中的三个。


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【知识】钐矿

钐矿,钐以及接着发现的钆、镨、钕都是从当时被认为是一种稀土元素的didymium中分离出来的。由于它们的发现,didymium不再被保留。而正是它们的发现打开了发现稀土元素的第三道大门,是发现稀土元素的第三阶段。但这仅是完成了第三阶段的一半工作。确切的说应该是打开了铈的大门或完成了铈的分离,另一半就将是打开钇的大门或是完成钇的分离。


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【知识】稀土激光材料

激光是一种新型光源,它具有很好的单色性、方向性和相干性,并且可以达到很高的亮度。与激光技术相应发展起来的各种晶体,如非线性晶体,能对激光束进行调频、调幅、调偏及调相作用;能修正传输过程中激光图像的畸变;热电探测晶体能灵敏地探测到红外光等。这些特性使激光很快就应用到工、农、医和国防部门。

激光与稀土激光材料是同时诞生的。到目前为止,大约90%的激光材料都涉及到稀土。自从1960年在红宝石中出现激光以来,同年就发现用掺钐的氟化钙(CaF2:Sm2+)可输出脉冲激光。1961年首先使用掺钕的硅酸盐玻璃获得脉冲激光,从此开辟了具有广泛用途的稀土玻璃激光器的研究。1962年首先使用CaWO4:Nd3+晶体输出连续激光,1963年首先研制稀土螯合物液体激光材料,使用掺铕的苯酰丙酮的醇溶液获得脉冲激光,1964年找出了室温下可输出连续激光的掺钕的钇铝石榴石晶体(Y3Al5O12:Nd3+),它已成为目前获得了广泛应用的固体激光材料,1973年首次实现铕-氦的稀土金属蒸气的激光振荡。由此可见,在短短的十多年里,稀土的固态、液态和气态都实现了受激发射。在激光工作物质中,稀土已成为一族很重要的元素。这都与它具有特殊的电子组态、众多可利用的能级和光谱特性有关。

稀土激光材料可分为:固体、液体和气体三大类。但后两大类由于其性能、种类和用途等远不如固体材料。所以一般说稀土激光材料通常是指固体激光材料。固体材料分为晶体、玻璃和光纤激光材料,而激光晶体又占主导地位。

稀土材料是激光系统的心脏,是激光技术的基础,由激光而发展起来的光电子技术,不仅广泛用于军事,而且在国民经济许多领域,如光通讯、医疗、材料加工(切割、焊接、打孔、热处理等)、信息储存、科研、检测和防伪等方面获得广泛应用,形成新产业。在军事上,稀土激光材料广泛应用于激光测距、制导、跟踪、雷达、激光武器和光电子对抗、遥测、精密定位及光通讯等方面。提高和改变各军种和兵种的作战能力和方式,在战术进攻和防御中起重大作用。高功率激光材料可装备激光致盲武器,以及光电对抗等武器。光发射二极管(LED)泵浦的激光晶体制成的激光器输出光束质量好,非线性移频效率高,可把毫瓦级的激光移频到蓝光、绿光和红光区,用于光存贮、显示、遥感、雷达和科研等。


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【知识】稀土在瓷器行业中的运用

我国稀土资源非常丰富,产量居世界第二位。目前世界用于陶瓷、玻璃工业中的稀土元素,是指位于元素周期表中第三族、第六周期中的镧系元素,也包括性质相似的钪和钆在内各种元素的合称。稀土元素的化学活性很强,能生成极为稳定的氧化物、卤化物、硫化物等。在较低的温度下,它又能与氢、氮、磷、碳及其它元素作用生成各种化合物。稀土元素的氧化物是呈各种粉状物质,经高温煅烧,不溶于水,难溶于酸,是优良的釉用原料。

稀土元素的电子层结构特殊,由于外层电子的屏蔽作用,使稀土元素的离子或溶解于氧化物中的稀土,都能显示各自的颜色。另外,稀土元素的电子层多而复杂,电子受光激发后,增加跳跃的电子。所以,稀土元素的光谱线就长于过硫金属元素的光谱线,电子能级和谱线都比其它元素更多种多样化。它们可以吸收或发射从紫外光、可见光到红外光区域的各种波长电磁辐射。因此,稀土元素呈色多姿多彩,且颜色纯净,光透性强,有些元素还有变色效应,可作为陶瓷釉料中的变色剂。

稀土元素的陶瓷上的应用,主要就是利用了稀土独特的光学性能,来作为着色或助色原料。

陶瓷上使用稀土的历史,最早可追溯到我国的龙泉青瓷。龙泉青瓷原料中使用的紫金土中,就含有微量的镧、镱、钆等稀土元素,由于镧、镱、钆和铜、铁、钴等离子进行组合,出现了新的吸收光谱,因而获得了晶莹润泽、表翠如玉的釉色,达到青瓷历史上的最高水平。

稀土中的镨最早应用于玻璃、陶瓷制品中。它在陶瓷中是一种稳定纯正、着色力强的釉用原料。它在还原中烧成,呈无色;在氧化中烧成,呈鲜艳的向阳黄,即镨黄。氧化镨还可与五氧化二钡配置成艳丽明快的苹果绿,称为镨绿,镨绿混合着色为灰色,再加入硒化锌为淡紫色;镨绿混合加入少量钴,使釉色呈鲜艳的亮灰色。

稀土中镧在瓷釉中呈白色,可使釉面晶莹光泽,起到光泽剂的作用;铈在瓷釉中呈黄色,铈还可制成白度很高、遮盖力强的陶瓷乳浊剂,遮盖能力优于锌、锆等乳浊剂,使釉面光泽莹润,还能减少龟裂;铈钛的系列颜料,不仅呈现黄色系列,还可与其它色素配合得到绿、琥珀、灰等颜色;稀土中的钐在陶瓷釉料中,可作黑釉的助色剂。

在陶瓷釉料中引入稀土中的钕元素,可使产品具有变色效应,在不同光源在照射下,使产品呈赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫六种变换的颜色。如在结晶釉中引入变色剂钕,可使结晶花更具迷人效果。稀土中的铒也变色效应,而且比钕混合作用,由于着色离子色调的加合作用,会有更多的可变色调,使变色效果愈趋丰富。总之,稀土在陶瓷中的应用研究,在我国万兴未艾,应用前景非常广阔,但尚有诸多课题,有待进一步深入而加以利用。


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