Рідкоземельні елементиє незамінними для розвитку високих технологій, таких як нова енергетика та матеріали, і мають широке застосування в таких галузях, як авіакосмічна промисловість, національна оборона та військова промисловість.Результати сучасної війни вказують на те, що на полі бою домінує рідкоземельна зброя, технологічні переваги рідкоземельних елементів представляють переваги у військових технологіях, а наявність ресурсів гарантована.Таким чином, рідкісноземельні метали також стали стратегічними ресурсами, за які конкурують великі економіки в усьому світі, а ключові сировинні стратегії, такі як рідкісноземельні метали, часто піднімаються до національних стратегій.Європа, Японія, Сполучені Штати та інші країни та регіони приділяють більше уваги таким ключовим матеріалам, як рідкоземельні метали.У 2008 році рідкоземельні матеріали були включені до списку «стратегії ключових матеріалів» Міністерством енергетики США;На початку 2010 року Європейський Союз оголосив про створення стратегічного резерву рідкоземельних металів;У 2007 році Міністерство освіти, культури, науки і технологій Японії, а також Міністерство економіки, промисловості та технологій вже запропонували «План стратегії елементів» і план «Альтернативні матеріали рідкісних металів».Вони вживають постійних заходів і політики щодо запасів ресурсів, технічного прогресу, придбання ресурсів і пошуку альтернативних матеріалів.Починаючи з цієї статті, редактор детально представить важливі та навіть незамінні історичні місії розвитку та ролі цих рідкоземельних елементів.
Тербій належить до категорії важких рідкісноземельних елементів з низьким вмістом у земній корі лише 1,1 ppm.Тербій оксидстановить менше 0,01% від загальної кількості рідкоземельних елементів.Навіть у важкій рідкісноземельній руді з високим вмістом іонів ітрію з найвищим вмістом тербію вміст тербію становить лише 1,1-1,2% від загальної кількості рідкісноземельних елементів, що вказує на приналежність до «благородної» категорії рідкоземельних елементів.Тербій — сріблясто-сірий метал з пластичністю та відносно м’якою текстурою, який можна розрізати ножем;Температура плавлення 1360 ℃, температура кипіння 3123 ℃, щільність 8229 4кг/м3.Протягом понад 100 років з моменту відкриття тербію в 1843 році його дефіцит і цінність тривалий час перешкоджали його практичному застосуванню.Лише за останні 30 років тербій продемонстрував свій унікальний талант.
Відкриття тербію
У той самий період, колилантанбуло відкрито, Карл Г. Мозандер зі Швеції проаналізував спочатку відкритеітрійі опублікував звіт у 1842 році, уточнюючи, що спочатку виявлена ітрієва земля була не одним елементарним оксидом, а оксидом трьох елементів.У 1843 році Моссандер відкрив елемент тербій завдяки дослідженню ітрієвої землі.Одну з них він ще назвав ітрієво-землею, а одну з нихоксид ербію.Лише в 1877 році він був офіційно названий тербієм із символом елемента Tb.Його назва походить від того ж джерела, що й ітрій, походить від села Іттербі поблизу Стокгольма, Швеція, де вперше була виявлена ітрієва руда.Відкриття тербію та двох інших елементів, лантану та ербію, відкрило другий шлях до відкриття рідкоземельних елементів, знаменуючи другий етап їхнього відкриття.Вперше очищений Г. Урбаном у 1905 році.
Моссандер
Застосування тербію
Застосуваннятербійздебільшого охоплює високотехнологічні галузі, які є технологічно і наукомісткими передовими проектами, а також проекти зі значними економічними вигодами, з привабливими перспективами розвитку.Основні області застосування включають: (1) використання у формі змішаних рідкоземельних елементів.Наприклад, його використовують як рідкоземельні сполуки добрива та кормової добавки для сільського господарства.(2) Активатор для зеленого порошку в трьох основних флуоресцентних порошках.Сучасні оптоелектронні матеріали вимагають використання трьох основних кольорів люмінофорів, а саме червоного, зеленого та синього, які можуть бути використані для синтезу різних кольорів.А тербій є незамінним компонентом багатьох високоякісних зелених флуоресцентних порошків.(3) Використовується як магнітооптичний запам'ятовуючий матеріал.Тонкі плівки зі сплаву аморфного металу тербію використовувалися для виготовлення високоефективних магнітооптичних дисків.(4) Виробництво магнітооптичного скла.Обертове скло Фарадея, що містить тербій, є ключовим матеріалом для виготовлення ротаторів, ізоляторів і циркуляційних насосів у лазерній технології.(5) Розробка та розробка тербій-диспрозієвого феромагнітострикційного сплаву (TerFenol) відкрила нові сфери застосування тербію.
Для землеробства і тваринництва
Рідкоземельний тербійможе покращити якість посівів і збільшити швидкість фотосинтезу в певному діапазоні концентрацій.Комплекси тербію мають високу біологічну активність, а потрійні комплекси тербію, Tb (Ala) 3BenIm (ClO4) 3-3H2O, мають гарну антибактеріальну та бактерицидну дію на Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis та Escherichia coli з антибактеріальним ефектом широкого спектру дії. властивості.Вивчення цих комплексів відкриває новий напрямок досліджень сучасних бактерицидних препаратів.
Використовується в області люмінесценції
Сучасні оптоелектронні матеріали вимагають використання трьох основних кольорів люмінофорів, а саме червоного, зеленого та синього, які можуть бути використані для синтезу різних кольорів.А тербій є незамінним компонентом багатьох високоякісних зелених флуоресцентних порошків.Якщо народження рідкоземельного кольорового червоного флуоресцентного порошку для телевізорів стимулювало попит на ітрій та європій, то застосуванню та розробці тербію сприяли рідкоземельні три основні кольори зеленого флуоресцентного порошку для ламп.На початку 1980-х компанія Philips винайшла першу в світі компактну енергозберігаючу люмінесцентну лампу та швидко просувала її по всьому світу.Іони Tb3+ можуть випромінювати зелене світло з довжиною хвилі 545 нм, і майже всі рідкоземельні зелені флуоресцентні порошки використовують тербій як активатор.
Зелений флуоресцентний порошок, який використовувався для кольорових телевізійних електронно-променевих трубок (CRT), завжди був в основному на основі дешевого та ефективного сульфіду цинку, але порошок тербію завжди використовувався як зелений порошок проекційного кольорового телевізора, наприклад Y2SiO5: Tb3+, Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+ і LaOBr: Tb3+.З розвитком телебачення високої чіткості з великим екраном (HDTV) також розробляються високоефективні зелені флуоресцентні порошки для ЕПТ.Наприклад, за кордоном розроблено гібридний зелений флуоресцентний порошок, що складається з Y3 (Al, Ga) 5O12: Tb3+, LaOCl: Tb3+ і Y2SiO5: Tb3+, які мають чудову ефективність люмінесценції при високій щільності струму.
Традиційним рентгенівським флуоресцентним порошком є вольфрамат кальцію.У 1970-х і 1980-х роках були розроблені рідкоземельні флуоресцентні порошки для сенсибілізаційних екранів, такі як активований тербієм оксид сульфіду лантану, активований тербієм оксид броміду лантану (для зелених екранів) і активований тербієм оксид сульфіду ітрію.У порівнянні з вольфраматом кальцію рідкоземельний флуоресцентний порошок може скоротити час рентгенівського опромінення пацієнтів на 80%, покращити роздільну здатність рентгенівських плівок, подовжити термін служби рентгенівських трубок і зменшити споживання енергії.Тербій також використовується як активатор флуоресцентного порошку для медичних екранів для посилення рентгенівського випромінювання, що може значно підвищити чутливість перетворення рентгенівського випромінювання в оптичні зображення, підвищити чіткість рентгенівських плівок і значно зменшити дозу рентгенівського опромінення. променів на тіло людини (більш ніж на 50%).
Тербійтакож використовується як активатор у білому світлодіодному люмінофорі, що збуджується синім світлом для нового напівпровідникового освітлення.Його можна використовувати для виробництва магнітооптичних кристалів тербій-алюміній, використовуючи сині світлодіоди як джерела світла збудження, а генерована флуоресценція змішується зі світлом збудження для отримання чистого білого світла.
Електролюмінесцентні матеріали, виготовлені з тербію, в основному включають зелений флуоресцентний порошок сульфіду цинку з тербієм як активатором.Під ультрафіолетовим опроміненням органічні комплекси тербію можуть випромінювати сильну зелену флуоресценцію і можуть використовуватися як тонкоплівкові електролюмінесцентні матеріали.Незважаючи на значний прогрес у вивченні рідкоземельних органічних комплексних електролюмінесцентних тонких плівок, все ще існує певний відрив від практичності, і дослідження рідкоземельних органічних комплексних електролюмінесцентних тонких плівок і пристроїв все ще поглиблені.
Флуоресцентні характеристики тербію також використовуються як флуоресцентні зонди.Взаємодія між комплексом офлоксацин тербію (Tb3+) і дезоксирибонуклеїновою кислотою (ДНК) вивчали за допомогою спектрів флуоресценції та поглинання, таких як флуоресцентний зонд офлоксацин тербію (Tb3+).Результати показали, що зонд офлоксацину Tb3+ може утворювати борозенку, зв’язуючись із молекулами ДНК, а дезоксирибонуклеїнова кислота може значно посилити флуоресценцію системи офлоксацину Tb3+.За цією зміною можна визначити дезоксирибонуклеїнову кислоту.
Для магнітооптичних матеріалів
Матеріали з ефектом Фарадея, також відомі як магнітооптичні матеріали, широко використовуються в лазерах та інших оптичних пристроях.Існує два поширених типи магнітооптичних матеріалів: магнітооптичні кристали та магнітооптичне скло.Серед них магнітооптичні кристали (такі як залізо-ітрієвий гранат і тербій-галієвий гранат) мають переваги регульованої робочої частоти та високої термічної стабільності, але вони дорогі та складні у виготовленні.Крім того, багато магнітооптичні кристали з великими кутами повороту Фарадея мають високе поглинання в короткохвильовому діапазоні, що обмежує їх використання.Порівняно з магнітооптичними кристалами, магнітооптичне скло має перевагу високого коефіцієнта пропускання та його легко виготовляти у великі блоки або волокна.В даний час магнітооптичні скла з високим ефектом Фарадея - це переважно скла, леговані рідкоземельними іонами.
Використовується для магнітооптичних матеріалів для зберігання
Останніми роками з бурхливим розвитком мультимедіа та офісної автоматизації зростає попит на нові магнітні диски великої ємності.Тонкі плівки зі сплаву аморфного металу тербію використовувалися для виготовлення високоефективних магнітооптичних дисків.Серед них найкращі характеристики має тонка плівка сплаву TbFeCo.Магнітооптичні матеріали на основі тербію виробляються у великих масштабах, і виготовлені з них магнітооптичні диски використовуються як компоненти комп’ютерної пам’яті, ємність якої збільшена в 10-15 разів.Вони мають такі переваги, як велика ємність і висока швидкість доступу, і їх можна стирати та покривати десятки тисяч разів, якщо використовувати для оптичних дисків високої щільності.Вони є важливими матеріалами в технології зберігання електронної інформації.Найбільш часто використовуваним магнітооптичним матеріалом у видимому та ближньому інфрачервоному діапазонах є монокристал тербій-галієвого гранату (TGG), який є найкращим магнітооптичним матеріалом для виготовлення ротаторів і ізоляторів Фарадея.
Для магнітооптичного скла
Магнітооптичне скло Фарадея має хорошу прозорість та ізотропію у видимій та інфрачервоній областях і може формувати різні складні форми.Його легко виготовляти великогабаритні вироби, і його можна витягнути в оптичні волокна.Тому він має широкі перспективи застосування в магнітооптичних пристроях, таких як магнітооптичні ізолятори, магнітооптичні модулятори та волоконно-оптичні датчики струму.Завдяки великому магнітному моменту та малому коефіцієнту поглинання у видимому та інфрачервоному діапазонах іони Tb3+ стали широко використовуваними рідкоземельними іонами в магнітооптичних стеклах.
Тербій диспрозій феромагнітострикційний сплав
Наприкінці 20-го століття, з постійним поглибленням світової технологічної революції, швидко з’являлися нові рідкоземельні матеріали.У 1984 році Університет штату Айова, лабораторія Еймса Міністерства енергетики США та Дослідницький центр надводної зброї ВМС США (звідки походив основний персонал пізніше створеної Edge Technology Corporation (ET REMA)) співпрацювали для розробки нового рідкісного земний інтелектуальний матеріал, а саме тербій диспрозій феромагнітний магнітострикційний матеріал.Цей новий інтелектуальний матеріал має відмінні характеристики швидкого перетворення електричної енергії в механічну.Підводні та електроакустичні перетворювачі, виготовлені з цього гігантського магнітострикційного матеріалу, були успішно сконфігуровані у військово-морському обладнанні, гучномовцях виявлення нафтових свердловин, системах контролю шуму та вібрації, а також системах дослідження океану та підземних комунікаційних системах.Тому, як тільки народився гігантський магнітострикційний матеріал тербій диспрозій залізо, він отримав широку увагу промислово розвинених країн у всьому світі.Компанія Edge Technologies у Сполучених Штатах почала виробляти гігантські магнітострикційні матеріали тербій диспрозій залізо в 1989 році та назвала їх Terfenol D. Згодом Швеція, Японія, Росія, Великобританія та Австралія також розробили гігантські магнітострикційні матеріали тербій диспрозій залізо.
З історії розробки цього матеріалу в Сполучених Штатах як винайдення матеріалу, так і його перші монопольні застосування безпосередньо пов’язані з військовою промисловістю (наприклад, військово-морським флотом).Хоча військове та оборонне відомства Китаю поступово зміцнюють своє розуміння цього матеріалу.Однак із значним посиленням всеосяжної національної потужності Китаю попит на досягнення військової конкурентоспроможної стратегії 21 століття та покращення рівня оснащення безперечно буде дуже актуальним.Таким чином, широке використання гігантських магнітострикційних матеріалів тербій диспрозій залізо військовими та національними відомствами оборони буде історичною необхідністю.
Одним словом, багато чудових властивостейтербійроблять його незамінним елементом багатьох функціональних матеріалів і незамінним місцем у деяких сферах застосування.Однак через високу ціну на тербій люди вивчали, як уникнути та мінімізувати використання тербію, щоб зменшити витрати на виробництво.Наприклад, рідкоземельні магнітооптичні матеріали також повинні максимально використовувати недорогий диспрозій, залізо, кобальт або гадоліній, тербій, кобальт;Спробуйте зменшити вміст тербію в зеленому флуоресцентному порошку, який потрібно використовувати.Ціна стала важливим фактором, що обмежує широке використання тербію.Але багато функціональних матеріалів без нього не обходяться, тому ми повинні дотримуватися принципу «використовувати хорошу сталь на лезі» і намагатися максимально економити використання тербію.
Час публікації: 07 серпня 2023 р