Prvky vzácnych zemínsú nevyhnutné pre vývoj špičkových technológií, akými sú nová energia a materiály, a majú širokú aplikačnú hodnotu v oblastiach, ako je letecký a kozmický priemysel, národná obrana a vojenský priemysel.Výsledky moderného vedenia vojny naznačujú, že na bojisku dominujú zbrane vzácnych zemín, technologické výhody vzácnych zemín predstavujú vojenské technologické výhody a zdroje sú zaručené.Preto sa vzácne zeminy stali aj strategickými zdrojmi, o ktoré súperia veľké ekonomiky na celom svete, a kľúčové stratégie v oblasti surovín, akými sú vzácne zeminy, sa často stávajú národnými stratégiami.Európa, Japonsko, Spojené štáty americké a ďalšie krajiny a regióny venujú väčšiu pozornosť kľúčovým materiálom, ako sú vzácne zeminy.V roku 2008 boli materiály vzácnych zemín uvedené ako „stratégia kľúčových materiálov“ Ministerstvom energetiky Spojených štátov amerických;Začiatkom roka 2010 Európska únia oznámila zriadenie strategickej rezervácie vzácnych zemín;V roku 2007 japonské ministerstvo školstva, kultúry, vedy a techniky, ako aj ministerstvo hospodárstva, priemyslu a technológie už navrhli „Plán stratégie prvkov“ a plán „Alternatívne materiály pre vzácne kovy“.Prijímali nepretržité opatrenia a politiky v oblasti zásob zdrojov, technologického pokroku, získavania zdrojov a hľadania alternatívnych materiálov.Počnúc týmto článkom editor podrobne predstaví dôležité a dokonca nevyhnutné historické vývojové úlohy a úlohy týchto prvkov vzácnych zemín.
Terbium patrí do kategórie ťažkých vzácnych zemín, s nízkym výskytom v zemskej kôre len 1,1 ppm.Oxid terbiumpredstavuje menej ako 0,01 % z celkového počtu vzácnych zemín.Dokonca aj v ťažkej rude vzácnych zemín s vysokým obsahom iónov ytria s najvyšším obsahom terbia predstavuje obsah terbia len 1,1 – 1,2 % z celkového množstva vzácnych zemín, čo naznačuje, že patrí do „ušľachtilej“ kategórie prvkov vzácnych zemín.Terbium je striebornošedý kov s ťažnosťou a relatívne mäkkou textúrou, ktorý sa dá rozrezať nožom;Teplota topenia 1360 ℃, teplota varu 3123 ℃, hustota 8229 4kg/m3.Viac ako 100 rokov od objavu terbia v roku 1843 jeho nedostatok a hodnota na dlhý čas bránili jeho praktickému využitiu.Len za posledných 30 rokov ukázalo terbium svoj jedinečný talent.
Objav Terbia
V rovnakom období, kedylantánuKarl G. Mosander zo Švédska analyzoval pôvodne objavenéytriuma v roku 1842 publikoval správu, v ktorej objasňoval, že pôvodne objavená ytriová zemina nebola jediným elementárnym oxidom, ale oxidom troch prvkov.V roku 1843 Mossander objavil prvok terbium prostredníctvom svojho výskumu na ytriovej zemi.Jednu z nich ešte pomenoval ytriová zemina a jednu z nichoxid erbia.Až v roku 1877 dostal oficiálny názov terbium so symbolom prvku Tb.Jeho pomenovanie pochádza z rovnakého zdroja ako ytrium, pochádza z dediny Ytterby neďaleko švédskeho Štokholmu, kde bola prvýkrát objavená ytriová ruda.Objav terbia a dvoch ďalších prvkov, lantánu a erbia, otvoril druhú bránu k objavu prvkov vzácnych zemín, čo znamená druhú etapu ich objavovania.Prvýkrát ho v roku 1905 vyčistil G. Urban.
Mossander
Aplikácia terbia
Aplikáciaterbiumväčšinou ide o high-tech oblasti, čo sú špičkové projekty náročné na technológie a znalosti, ako aj projekty s významnými ekonomickými prínosmi, s atraktívnymi perspektívami rozvoja.Hlavné oblasti použitia zahŕňajú: (1) využitie vo forme zmiešaných vzácnych zemín.Používa sa napríklad ako zložené hnojivo vzácnych zemín a kŕmna prísada pre poľnohospodárstvo.(2) Aktivátor pre zelený prášok v troch primárnych fluorescenčných práškoch.Moderné optoelektronické materiály vyžadujú použitie troch základných farieb fosforu, a to červenej, zelenej a modrej, pomocou ktorých je možné syntetizovať rôzne farby.A terbium je nenahraditeľnou súčasťou mnohých vysokokvalitných zelených fluorescenčných práškov.(3) Používa sa ako magnetooptický úložný materiál.Na výrobu vysokovýkonných magnetooptických diskov sa použili tenké filmy zliatiny prechodného kovu amorfného kovu.(4) Výroba magnetooptického skla.Faradayove rotačné sklo obsahujúce terbium je kľúčovým materiálom na výrobu rotátorov, izolátorov a cirkulátorov v laserovej technológii.(5) Vývoj a vývoj feromagnetostrikčnej zliatiny terbium dysprosium (TerFenol) otvoril nové možnosti použitia pre terbium.
Pre poľnohospodárstvo a chov zvierat
Terbium vzácnych zemínmôže zlepšiť kvalitu plodín a zvýšiť rýchlosť fotosyntézy v určitom koncentračnom rozsahu.Komplexy terbia majú vysokú biologickú aktivitu a ternárne komplexy terbia, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3-3H2O, majú dobré antibakteriálne a baktericídne účinky na Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis a Escherichia coli so širokospektrálnym antibakteriálnym účinkom. vlastnosti.Štúdium týchto komplexov poskytuje nový smer výskumu pre moderné baktericídne liečivá.
Používa sa v oblasti luminiscencie
Moderné optoelektronické materiály vyžadujú použitie troch základných farieb fosforu, a to červenej, zelenej a modrej, pomocou ktorých je možné syntetizovať rôzne farby.A terbium je nenahraditeľnou súčasťou mnohých vysokokvalitných zelených fluorescenčných práškov.Ak zrodenie farebného TV červeného fluorescenčného prášku vzácnych zemín podnietilo dopyt po ytriu a európiu, potom aplikáciu a vývoj terbia podporil zelený fluorescenčný prášok vzácnych zemín s tromi základnými farbami, zeleným fluorescenčným práškom pre lampy.Začiatkom osemdesiatych rokov spoločnosť Philips vynašla prvú kompaktnú energeticky úspornú žiarivku na svete a rýchlo ju celosvetovo presadila.Ióny Tb3+ môžu vyžarovať zelené svetlo s vlnovou dĺžkou 545 nm a takmer všetky zelené fluorescenčné prášky vzácnych zemín používajú ako aktivátor terbium.
Zelený fluorescenčný prášok používaný pre farebné TV katódové trubice (CRT) bol vždy založený hlavne na lacnom a efektívnom sulfide zinočnatém, ale terbium prášok sa vždy používal ako projekčný farebný TV zelený prášok, ako napríklad Y2SiO5: Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5012: Tb3+ a LaOBr: Tb3+.S vývojom veľkoplošnej televízie s vysokým rozlíšením (HDTV) sa vyvíjajú aj vysokovýkonné zelené fluorescenčné prášky pre CRT.V zahraničí bol napríklad vyvinutý hybridný zelený fluorescenčný prášok pozostávajúci z Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, LaOCl: Tb3+ a Y2SiO5: Tb3+, ktoré majú vynikajúcu luminiscenčnú účinnosť pri vysokej prúdovej hustote.
Tradičným röntgenovým fluorescenčným práškom je wolframan vápenatý.V 70. a 80. rokoch 20. storočia boli vyvinuté fluorescenčné prášky vzácnych zemín pre senzibilizačné clony, ako je terbiom aktivovaný oxid sulfid lantanitý, terbiom aktivovaný oxid bromidu lantanitého (pre zelené obrazovky) a terbiom aktivovaný oxid yttritý.V porovnaní s volfrámom vápenatým môže fluorescenčný prášok vzácnych zemín skrátiť čas röntgenového ožarovania pre pacientov o 80 %, zlepšiť rozlíšenie röntgenových filmov, predĺžiť životnosť röntgenových trubíc a znížiť spotrebu energie.Terbium sa tiež používa ako fluorescenčný práškový aktivátor pre lekárske röntgenové vylepšenia obrazoviek, čo môže výrazne zlepšiť citlivosť röntgenovej konverzie na optické obrazy, zlepšiť čistotu röntgenových filmov a výrazne znížiť expozičnú dávku röntgenového žiarenia. lúčov do ľudského tela (o viac ako 50 %).
Terbiumsa používa aj ako aktivátor v bielom LED fosfore excitovanom modrým svetlom pre nové polovodičové osvetlenie.Môže sa použiť na výrobu terbium-hliníkových magnetooptických kryštálových fosforov s použitím diód vyžarujúcich modré svetlo ako zdrojov excitačného svetla a vygenerovaná fluorescencia sa zmieša s excitačným svetlom, aby sa vytvorilo čisté biele svetlo.
Elektroluminiscenčné materiály vyrobené z terbia zahŕňajú hlavne zelený fluorescenčný prášok sulfidu zinočnatého s terbiom ako aktivátorom.Pri ultrafialovom ožiarení môžu organické komplexy terbia vyžarovať silnú zelenú fluorescenciu a môžu sa použiť ako tenkovrstvové elektroluminiscenčné materiály.Aj keď sa v štúdiu organických komplexných elektroluminiscenčných tenkých vrstiev vzácnych zemín dosiahol významný pokrok, stále existuje určitá medzera v praktickosti a výskum organických komplexných elektroluminiscenčných tenkých vrstiev a zariadení vzácnych zemín je stále v hĺbke.
Fluorescenčné charakteristiky terbia sa tiež používajú ako fluorescenčné sondy.Interakcia medzi komplexom ofloxacínu terbium (Tb3+) a deoxyribonukleovou kyselinou (DNA) bola študovaná pomocou fluorescenčných a absorpčných spektier, ako je fluorescenčná sonda ofloxacínu terbium (Tb3+).Výsledky ukázali, že ofloxacínová sonda Tb3+ môže tvoriť drážku viažucu sa na molekuly DNA a deoxyribonukleová kyselina môže výrazne zvýšiť fluorescenciu systému ofloxacínu Tb3+.Na základe tejto zmeny možno určiť kyselinu deoxyribonukleovú.
Pre magnetooptické materiály
Materiály s Faradayovým efektom, tiež známe ako magnetooptické materiály, sú široko používané v laseroch a iných optických zariadeniach.Existujú dva bežné typy magnetooptických materiálov: magnetooptické kryštály a magnetooptické sklo.Medzi nimi magneto-optické kryštály (ako je ytriový železný granát a terbium-gálium granát) majú výhody nastaviteľnej pracovnej frekvencie a vysokej tepelnej stability, sú však drahé a ťažko sa vyrábajú.Okrem toho mnohé magneto-optické kryštály s vysokými Faradayovými uhlami rotácie majú vysokú absorpciu v oblasti krátkych vĺn, čo obmedzuje ich použitie.V porovnaní s magnetooptickými kryštálmi má magnetooptické sklo výhodu vysokej priepustnosti a ľahko sa z neho vyrábajú veľké bloky alebo vlákna.V súčasnosti sú magnetooptické sklá s vysokým Faradayovým efektom hlavne sklá dopované iónmi vzácnych zemín.
Používa sa na magnetooptické úložné materiály
V posledných rokoch s rýchlym rozvojom multimédií a automatizácie kancelárií rastie dopyt po nových vysokokapacitných magnetických diskoch.Na výrobu vysokovýkonných magnetooptických diskov sa použili tenké filmy zliatiny prechodného kovu amorfného kovu.Spomedzi nich má najlepší výkon tenký film zliatiny TbFeCo.Magnetooptické materiály na báze terbia sa vyrábajú vo veľkom meradle a magnetooptické disky vyrobené z nich sa používajú ako komponenty na ukladanie dát do počítača, pričom kapacita pamäte sa zvýšila 10-15 krát.Majú výhody veľkej kapacity a rýchlej prístupovej rýchlosti a pri použití pre optické disky s vysokou hustotou sa dajú desaťtisíckrát otrieť a potiahnuť.Sú dôležitými materiálmi v technológii elektronického uchovávania informácií.Najbežnejšie používaným magnetooptickým materiálom vo viditeľnom a blízkom infračervenom pásme je monokryštál Terbium Gallium Garnet (TGG), čo je najlepší magnetooptický materiál na výrobu Faradayových rotátorov a izolátorov.
Pre magnetooptické sklo
Magnetooptické sklo Faraday má dobrú priehľadnosť a izotropiu vo viditeľnej a infračervenej oblasti a môže vytvárať rôzne zložité tvary.Je ľahké vyrábať výrobky veľkých rozmerov a je možné ich vtiahnuť do optických vlákien.Preto má široké uplatnenie v magnetooptických zariadeniach, ako sú magnetooptické izolátory, magnetooptické modulátory a prúdové senzory z optických vlákien.Vďaka veľkému magnetickému momentu a malému koeficientu absorpcie vo viditeľnom a infračervenom rozsahu sa ióny Tb3+ stali bežne používanými iónmi vzácnych zemín v magnetooptických okuliaroch.
Terbium dysprosium feromagnetostrikčná zliatina
Koncom 20. storočia s neustálym prehlbovaním svetovej technologickej revolúcie sa rýchlo objavovali nové aplikačné materiály vzácnych zemín.V roku 1984 Iowa State University, Ames Laboratory of the US Department of Energy a US Navy Surface Weapons Research Center (z ktorého pochádzali hlavní pracovníci neskôr založenej Edge Technology Corporation (ET REMA)) spolupracovali na vývoji nového vzácneho zemný inteligentný materiál, a to terbium dysprosium feromagnetický magnetostrikčný materiál.Tento nový inteligentný materiál má vynikajúce vlastnosti rýchlej premeny elektrickej energie na mechanickú energiu.Podvodné a elektroakustické prevodníky vyrobené z tohto obrovského magnetostrikčného materiálu boli úspešne nakonfigurované v námorných zariadeniach, reproduktoroch na detekciu ropných vrtov, systémoch kontroly hluku a vibrácií a systémoch na prieskum oceánov a podzemné komunikačné systémy.Preto hneď ako sa zrodil magnetostrikčný materiál železného giganta terbium dysprosium, získal širokú pozornosť priemyselných krajín po celom svete.Spoločnosť Edge Technologies v Spojených štátoch začala vyrábať obrie magnetostrikčné materiály terbium dysprosium a železo v roku 1989 a nazvala ich Terfenol D. Následne Švédsko, Japonsko, Rusko, Spojené kráľovstvo a Austrália tiež vyvinuli obrovské magnetostrikčné materiály terbium dysprosium a železo.
Z histórie vývoja tohto materiálu v Spojených štátoch, vynález materiálu a jeho skoré monopolné aplikácie priamo súvisia s vojenským priemyslom (ako je námorníctvo).Hoci čínske vojenské a obranné oddelenia postupne posilňujú svoje chápanie tohto materiálu.Avšak s výrazným posilnením komplexnej národnej sily Číny bude požiadavka na dosiahnutie vojenskej konkurenčnej stratégie 21. storočia a zlepšenie úrovne vybavenia určite veľmi naliehavá.Rozšírené používanie magnetostrikčných obrovských magnetostrikčných materiálov terbium dysprosium železom zo strany vojenských a národných obranných oddelení bude preto historickou nevyhnutnosťou.
Stručne povedané, mnoho vynikajúcich vlastnostíterbiumrobia z neho nenahraditeľného člena mnohých funkčných materiálov a nezastupiteľné miesto v niektorých aplikačných oblastiach.Avšak kvôli vysokej cene terbia ľudia študovali, ako sa vyhnúť a minimalizovať používanie terbia, aby sa znížili výrobné náklady.Napríklad magnetooptické materiály vzácnych zemín by mali v čo najväčšej možnej miere využívať aj lacný dysprosium železný kobalt alebo gadolínium terbium kobalt;Pokúste sa znížiť obsah terbia v zelenom fluorescenčnom prášku, ktorý sa musí použiť.Cena sa stala dôležitým faktorom obmedzujúcim rozšírené používanie terbia.Mnohé funkčné materiály sa ale bez neho nezaobídu, preto musíme dodržať zásadu „použitie dobrej ocele na čepeľ“ a snažiť sa používanie terbia čo najviac ušetriť.
Čas odoslania: august-07-2023