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纳米稀土材料,产业革命的生力军

来源: 本站原创 日期:2009-01-20 加入收藏

  纳米科技是在上世纪80年代末90年代初才逐步发展起来的交叉性新兴学科领域,由于它具有创造新的生产工艺、新的物质和新的产品的巨大潜能,因而它将在新世纪掀起一场新的产业革命。纳米科学与纳米技术目前的发展水平与上世纪50年代的计算机和信息技术相类似。致力于这一领域的大多数科学家预计,纳米科技的发展将对许多方面的技术产生广泛而深远的影响。科学家认为它有着奇异性质和独特性能,导致纳米稀土材料产生奇异性能的主要限域效应有比表面效应、小尺寸效应、界面效应、透明效应、隧道效应、宏观量子效应,这些效应使纳米体系的光、电、热、磁等物理性质与常规材料不同,出现许多新奇特征。未来科学家们对纳米技术的研究发展主要有三大方向:优异性能的纳米材料制备及应用;设计制备各种纳米器件和设备;探测分析纳米区域的性质。目前纳米稀土主要有以下一些应用方向,今后纳米稀土发挥的用途有待进一步开发。

纳米氧化镧(La2O3

  纳米氧化镧应用于压电材料、电热材料、热电材料、磁阻材料、发光材料(兰粉)贮氢材料、光学玻璃、激光材料、各种合金材料,及制备有机化工产品的催化剂、中和汽车尾气催化剂,光转换农用薄膜也应用到纳米氧化镧。

纳米氧化铈(CeO2)

  纳米氧化铈的主要用途有: 1、纳米氧化铈作为玻璃添加剂,能吸收紫外线与红外线,已应用于汽车玻璃。不仅能防紫外线,还可降低车内温度,从而节约空调用电。 2、纳米氧化铈应用到汽车尾气净化催化剂中,可有效防止大量汽车废气排到空气中。3、纳米氧化铈应用到颜料中,可对塑料着色,也可用于涂料、油墨和纸张等行业。 4、纳米氧化铈应用于抛光材料已经得到广泛认可,作为硅片,蓝宝石单晶基片的抛光等高精需求。 5、另外纳米氧化铈还可应用于储氢材料、热电材料、纳米氧化铈钨电极、陶瓷电容器、压电陶瓷、纳米氧化铈碳化硅磨料、燃料电池原料、汽油催化剂、某些永磁材料、各种合金钢及有色金属等。

纳米氧化镨(Pr6O11

  纳米氧化镨的主要用途有:1、被广泛应用于建筑陶瓷和日用陶瓷中,其与陶瓷釉混合制成色釉,也可单独作釉下颜料,制成的颜料呈淡黄色,色调纯正、淡雅。 2、用于制造永磁体,广泛应用于各类电子器件和马达上。3、用于石油催化裂化,可提高催化的活性、选择性和稳定性。 4、纳米氧化镨还可用于磨料抛光。 另外,纳米氧化镨在光纤领域的用途也越来越广。 纳米氧化钕(Nd2O3) 纳米氧化钕元素凭借其在稀土领域中的独特地位,多年来成为市场关注的热点。纳米氧化钕还应用于有色金属材料。在镁或铝合金中添加1.5%~2.5%纳米氧化钕,可提高合金的高温性能、气密性和耐腐蚀性,广泛用作航宽航天材料。另外,掺纳米氧化钕的纳米氧化钇铝石榴石产生短波激光束,在工业上广泛用于厚度在10mm以下薄型材料的焊接和切削。在医疗上,掺纳米氧化钕的纳米氧化钇铝石榴石激光器代替手术刀用于摘除手术或消毒创伤口。纳米氧化钕也用于玻璃和陶瓷材料的着色以及橡胶制品和添加剂。

纳米氧化钐(Sm2O3

  纳米氧化钐的主要用途有: 纳米氧化钐呈浅黄色,应用于陶瓷电容器和催化剂方面。另外,纳米氧化钐还具有核性质,可用作原子能反应堆的结构材料,屏敝材料和控制材料,使核裂变产生巨大的能量得以安全利用。 纳米氧化铕(Eu2O3) 纳米氧化铕大部分用于荧光粉。Eu3+用于红色荧光粉的激活剂,Eu2+用于蓝色荧光粉。现在Y0O3:Eu3+是发光效率、涂敷稳定性、回收成本等最好的荧光粉,再加上对提高发光效率和对比度等技术的改进,故正在被广泛应用。近来纳米氧化铕还用于新型X射线医疗诊断系统的受激发射荧光粉。纳米氧化铕还可用于制造有色镜片和光学滤光片,用于磁泡贮存器件,在原子反应堆的控制材料、屏敝材料和结构材料中也能一展身手。利用纳米氧化钇(Y2O3)和纳米氧化铕(Eu2O3)为原料制备出细颗粒的氧化钆铕(Y2O3:Eu3+)红色荧光粉,用其配制稀土三基色荧光粉时发现:(a)能与绿粉、蓝粉很好地均匀混合;(b)涂敷性能好;(c)由于红粉粒度小,比表面增大,发光颗粒数增加,从而可以减少稀土三基色荧光粉中红粉的用量,致使成本降低。

纳米氧化钆(Gd2O3

  它的主要用途有: 1、其水溶性顺磁络合物在医疗上可提高人体的核磁共振(NMR)成像信号。 2、基硫氧化物可用作特殊亮度的示波管和X射线荧光屏的基质栅网。 3、在纳米氧化钆镓石榴石中的纳米氧化钆对于磁泡记忆存储器是理想的单基片。 4、在无Camot循环限制时,可用作固态磁致冷介质。 5、用作控制核电站的连锁反应级别的抑制剂,以保证核反应的安全。 另外,纳米氧化钆与纳米氧化镧一起使用,有助于玻璃化区域的变化和提高玻璃的热稳定性。纳米氧化钆还可用于制造电容器、X射线增感屏。世界上目前正在努力开发纳米氧化钆及其合金在磁致冷方面的应用,现已取得突破性进展。

纳米氧化铽(Tb4O7

  主要应用领域有: 1、荧光粉用于三基色荧光粉中的绿粉的激活剂,如纳米氧化铽激活的磷酸盐基质、纳米氧化铽激活的硅酸盐基质、纳米氧化铽激活的纳米氧化铈镁铝酸盐基质,在激发状态下均发出绿色光。 2、磁光贮存材料,近年来在研究开发纳米氧化铽系磁光材料,用Tb-Fe非晶态薄膜研制的磁光光盘作计算机存储元件,存储能力可提高10~15倍。3、磁光玻璃,含纳米氧化铽的法拉第旋光玻璃是制造在激光技术中广泛应用的旋转器、隔离器和环形器和关键材料。纳米氧化铽纳米氧化镝铁开始主要用于声纳,目前已广泛应用于多种领域,从燃料喷射系统、液体阀门控制、微定位到机械致动器、机构和飞机太空望远镜的调节机翼调节器等领域。 纳米氧化镝(Dy2O3) 纳米氧化镝的最主要用途是: 1、纳米氧化镝用作荧光粉激活剂,三价纳米氧化镝是一种有前途的单发光中心三基色发光材料的激活离子,它主要由两个发射带组成,一为黄光发射,另一为蓝光发射,掺纳米氧化镝的发光材料可作为三基色荧光粉。 2、纳米氧化镝是制备大磁致伸缩合金纳米氧化铽纳米氧化镝铁(Terfenol)合金的必要的金属原料,能使一些机械运动的精密活动得以实现。 3、纳米氧化镝金属可用做磁光存贮材料,具有较高的记录速度和读数敏感度。4、用于纳米氧化镝灯的制备,在纳米氧化镝灯中采用的工作物质是纳米氧化镝,这种灯具有亮度大、颜色好、色温高、体积小、电弧稳定等优点,已用于电影、印刷等照明光源。 5、由于纳米氧化镝元素具有中子俘获截面积大的特性,在原子能工业中用来测定中子能谱或做中子吸收剂。

纳米氧化钬(Ho2O3

  纳米氧化钬的主要用途有: 1、用作金属卤素灯添加剂,金属卤素灯是一种气体放电灯,它是在高压汞灯基础上发展起来的,其特点是在灯泡里充有各种不同的稀土卤化物。目前主要使用的是稀土碘化物,在气体放电时发出不同的谱线光色。在纳米氧化钬灯中采用的工作物质是碘化纳米氧化钬,在电弧区可以获得较高的金属原子浓度,从而大大提高了辐射效能。 2、纳米氧化钬可以用作钇铁或钇铝石榴石的添加剂; 3、纳米氧化钬可以用作钇铁铝石榴石(Ho:YAG)可发射2μm激光,人体组织对2μm激光吸收率高,几乎比Hd:YAG0高3个数量级。所以用Ho:YAG激光器进行医疗手术时,不但可以提高手术效率和精度,而且可使热损伤区域减至更小。纳米氧化钬晶体产生的自由光束可消除脂肪而不会产生过大的热量,从而减少以健康组织产生的热损伤,据报道美国用纳米氧化钬激光治疗青光眼,可以减少患者手术的痛苦。 4、在磁致伸缩合金Terfenol-D中,也可以加入少量的纳米氧化钬,从而降低合金饱和磁化所需的外场。 5、另外用掺纳米氧化钬的光纤可以制作光纤激光器、光纤放大器、光纤传感器等等光通讯器件在光纤通信迅猛的今天将发挥更重要的作用。

纳米氧化铒(Er2O3

  纳米氧化铒的主要用途有: 1、Er3+在1550nm处的光发射具有特殊意义,因为该波长正好位于光纤通讯的光学纤维的最低损失,纳米氧化铒离子(Er3+)受到波长980nm、1480nm的光激发后,从基态4115/2跃迁至高能态4113/2,当处于高能态的Er3+再跃迁回至基态时发射出1550nm波长的光,石英光纤可传送各种不同波长的光,但不同的光光衰率不同,1550nm频带的光在石英光纤中传输中光衰减率最低(0.15分贝/千米),几乎为下限极限衰减率。因此,光纤通信在1550nm处作信号光时,光损失最小。这样,如果把适当浓度的纳米氧化铒掺入合适的基质中,可依据激光原理作用,放大器能够补偿通讯系统中的损耗,因此在需要放大波长1550nm光信号的电讯网络中,掺纳米氧化铒光纤放大器是必不可少的光学器件,目前掺纳米氧化铒的二氧化硅纤维放大器已实现商业化。据报道,为避免无用的吸收,光纤中纳米氧化铒的掺杂量几十至几百ppm。光纤通信的迅速发展,将开辟纳米氧化铒的应用新领域。2、另外掺纳米氧化铒的激光晶体及其输出的1730nm激光和1550nm激光对人的眼睛安全,大气传输性能较好,对战场的硝烟穿透能力较强,保密性好,不易被敌人探测,照射军事目标的对比度较大,已制成军事上用的对人眼安全的便携式激光测距仪。 3、Er3+加入到玻璃中可制成稀土玻璃激光材料,是目前输出脉冲能量最大,输出功率最高的固体激光材料。 4、Er3+还可做稀土上转换激光材料的激活离子。 5、另外纳米氧化铒也可应用于眼镜片玻璃、结晶玻璃的脱色和着色等。

纳米氧化钇(Y2O3

  纳米氧化钇主要用途有: 1、钢铁及有色合金的添加剂。FeCr合金通常含0.5%~4%纳米氧化钇,纳米氧化钇能够增强这些不锈钢的抗氧化性和延展性;MB26合金中添加适量的富纳米氧化钇混合稀土后,合金的综合性能昨到明显的改善,可以替代部分中强铝合金用于飞机的受力构件上;在Al-Zr合金中加入少量纳米氧化钇稀土,可提高合金导电率;该合金已为国内大多数电线厂采用;在铜合金中加入纳米氧化钇,提高了导电性和机械强度。2、含纳米氧化钇6%和铝2%的氮化硅陶瓷材料,可用来研制发动机部件。3、用功率400瓦的纳米氧化钕铝石榴石激光束来对大型构件进行钻孔、切削和焊接等机械加工。 4、由Y-Al石榴石单晶片构成的电子显微镜荧光屏,荧光亮度高,对散射光的吸收低,抗高温和抗机械磨损性能好。 5、含纳米氧化钆达90%的高纳米氧化钇结构合金,可以应用于航空和其它要求低密度和高熔点的场合。6、含纳米氧化钇达90%的高纳米氧化钇高温质子传导材料,对燃料电池、电解池和要求氢溶解度高的气敏元件的生产具有重要的意义。 此外,纳米氧化钇还用于耐高温喷涂材料、原子能反应堆燃料的稀释剂、永磁材料添加剂以及在电子工业中作吸气剂等。

   除上面所述,纳米稀土氧化物还可用在对人体保健及环保性能等的服装材料上,从目前研究单位来讲它们都有一定方向:抗紫外线辐射;空气的污染和紫外线辐射容易得皮肤病和皮肤癌;防污染使污染物不容易粘贴在服装上;在抗保暖方向也在研究。由于皮革比较硬、容易老化,在下雨天最容易起霉点,用纳米稀土氧化铈漂入,可以使皮革变软,也不容易老化和发霉,穿时也很舒服。 而纳米涂层材料也是近年来纳米材料研究的热点,主要的研究聚集在功能涂层上,美国采用80nm的Y2O3可以作为红外屏蔽涂层,反射热的效率很高。而CeO2具有高折射率和高稳定性,用纳米稀土氧化钇、纳米氧化镧和纳米氧化铈粉体加入涂料中,外墙可抗老化,因外墙涂料都因油漆在阳光紫外线的照射下和长期风吹日晒,容易老化脱落,加入氧化铈、氧化钇后可抗紫外线照射,而且它的粒径很细小,用纳米氧化铈作为紫外线吸收剂,可望用于防止塑料制品因紫外线照射老化,坦克、汽车、舰船、储油罐等的紫外老化,对户外大型广告牌起到最好的保护,对内墙涂料可起到防霉防潮防污染,因为它的粒径很小,灰尘不容易粘贴上墙,并可用水擦洗。 纳米稀土氧化物还有许多用途有待我们进一步研究开发,我们真诚希望它有更加辉煌灿烂的明天。
 

 

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