稀土是什么 稀土在工业里有哪些应用

稀土是化学周期表中镧系元素和钪、钇共十七种金属元素的总称，自然界中有250种稀土矿。稀土是从18世纪末开始陆续发现的，当时人们常把不溶于水的固体氧化物称为土，例如，将氧化铝称为陶土，氧化钙称为碱土等。稀土一般是以氧化物状态分离出来的，当时比较稀少，因而得名为稀土。

稀土也被称为“工业黄金”和“工业维生素”，这表明它对工业的重要性。稀土的使用也经历了从初级到高级的阶段。19世纪，人们开始用稀土制造煤气灯罩、火石等物品，但现在稀土被广泛应用于电子、石化、冶金、机械、能源、农业、航空航天等领域。事实上，稀土离我们不远，稀土元素被用于我们常见的荧光灯、液晶电视、手机和电脑。

稀土元素具有特殊的4f层电子结构，表现出许多光、电、磁的特性。通过纳米化后，稀土元素又有许多新特性，如小尺寸效应、高比表面效应、量子效应、极强的光电磁声性质、超导性、高化学活性等，综合性能大大提高，再通过掺杂或作为原料与其它材料组成性能各异、品种繁多的新型电子功能材料，如半导体材料、光电子材料、磁性材料、电子功能陶瓷材料、电能源材料、电子通讯材料，是电子信息产业不可或缺的重要组成部分。

这些材料已应用于众多电子元器件行业的产品中，且已形成一定的产业规模。因此，电子信息产业是稀土重要的中高端应用终端用户。

在光电子材料中的应用

稀土在光电子产业有众多的应用，其中涉及到光信息的产生、调制、传输、储存、显示及其他应用。光电子材料主要分为光电功能晶体材料、光纤材料和显示材料。光电功能晶体的种类众多，目前已形成一定产业规模的主要有激光与非线性晶体、闪烁晶体、光学晶体（含窗口、LED衬底晶体）等晶体材料。

稀土元素是光电子技术领域必不可少的新材料。不同的稀土离子，由于其4f壳层电子数目的变化，表现出不同的性质和具备不同的用途，如La3+（4f0），Gd+（4f7），Lu3+（4f14）和Y3+、Sc3+具有良好透光性，可作为晶体的基质；而Pr3+，Nd3+，Er3+，Ho3+，Tm³+，Yb3+用作激光材料的激活离子，Ce3+，Eu³+，Eu2+，Tb3+，Dy3+用于发光材料。同一个稀土离子也能在各种光学材料中发挥不同作用，如Yb3+既可以作为激光晶体的激活离子，又可作为红外线和可见光学材料的敏化剂。

发光机理：稀土元素原子的电子构型中存在4f轨道，当4f电子从高能级以辐射方式跃迁至低能级时就发出不同波长的光。

在磁性材料中的应用

磁性材料中的永磁（也称硬磁）、软磁和旋磁等磁性材料是信息产业的重要功能材料。自从1966年以来，永磁材料中增加了一个新成员，它就是“稀土永磁体”。稀土永磁材料是将钐、钕混合稀土金属与过渡金属（如钴、铁等）组成的合金，用粉末冶金方法压型烧结，经磁场充磁后制得的一种磁性材料。稀土永磁体优异的性能，不仅促进了永磁器件向小型化发展，提高了产品的性能，而且促使某些特殊器件的产生，它的出现为应用打开了一扇全新的大门，所以稀土永磁材料一出现，立即引起各国的极大重视，发展极为迅速。

1970年代中期，第一代稀土永磁体1-5型Sm-Co开始商业化生产。1970年代后期，第二代稀土永磁体高性能2-17型Sm-Co开发成功。

钕铁硼永磁体是日本住友特殊金属公司（2007年并入日立金属公司）和美国通用汽车公司（后分离成Magnequench公司）于1983年最先研制成功的。它的磁能积比目前通常使用的铁氧体高十倍，是当今世界上磁性最强的材料，有"磁王"之美誉。进入21世纪以来，由于中国稀土永磁产业的高速发展，使得稀土永磁产业的国际格局发生了重大变化。钕铁硼物美价廉，应用越来越广泛，但钐钴永磁体（2-17型Sm-Co为主）独特的优势（例如工作温度高，温度系数小，抗腐蚀强等），仍然在军工、航空航天等方面占有牢固的地位。

在电子功能陶瓷材料中的应用

在电子陶瓷材料中，稀土的电磁功能起了很大作用。目前人们开发成功的稀土陶瓷包括：

①电子陶瓷：主要包括压电陶瓷（用于力、声、位置速度传感器，红外传感器，电光敏感元件，各种压电振子和换能器）；微波介质陶瓷（用于微波通讯和卫星通讯电容器）等。

②半导体陶瓷：半导体陶瓷具有独特的电学性能，同时还具有优良的机械性能、热性能和良好的化学稳定性。Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho或Er等稀土元素均可使BaTiO3陶瓷半导体化。

③智能化陶瓷：既能传感磁性、温度和气体，又像介电元件那样具有执行功能；在已发展的传感器和驱动器中，陶瓷材料占有很大一部份：如压电、电声、光电、热电、磁热、电致冷或磁致伸缩、相变、生物、热电陶瓷等。

④铁电陶瓷和反铁电陶瓷：电致应变小，介电损耗低，适合制作高压、高储能密度、长工作寿命的储能电容器。此外，还有超导陶瓷、光学陶瓷、纳米陶瓷等。

锆钛酸铅PbTiO3压电陶瓷简称PZT陶瓷，是压电陶瓷材料中用得最多最广的一种。通过添加Nb、La、Sb、Cr、Mn等元素来改性，可以制成许多不同用途的PZT型压电陶瓷。

在电能源材料中的应用

稀土功能材料和稀土掺杂在电化学储能领域有着广泛的应用，通过稀土离子掺杂、稀土离子包覆电极材料，稳定了电极材料结构、改善电极材料电子电导率、离子扩散，能够有效提升电极材料的电化学性能。稀土离子的电负性和离子尺寸是调节锂离子电池和超级电容器电极材料性能的关键因素。

在信息通讯领域中的应用

大规模集成电路在信息通讯领域具有广泛的应用。随着电子技术向高性能、多功能、大容量、微型化方向发展，半导体芯片集成度越来越高，晶体管尺寸越来越小，传统的SiO2栅介质薄膜就会存在漏电甚至绝缘失效的问题，目前采用铪、锆及稀土改性的稀有金属氧化物薄膜解决核心漏电问题。如果进一步降低线宽，则需采用更高介电常数的稀土栅介质材料。

参考资料：

1、稀土在电子功能材料领域的应用；杨丽，张文灿，郭咏等著。

2、稀土元素在光电子技术领域中的应用，洪广信著。