稀土元素钇及其应用.doc

稀土元素钇及其应用 　　钇是人类发现的第一个稀土元素。1987年，业余矿物学家、瑞典陆军中尉阿累尼乌斯（C.A.Arrhenius）在斯德哥尔摩附近一个名叫伊特比（Yteerby）的小村捡到一块他从未见到过的象沥青一样的黑色矿石，就借用这个村名将其命名为Yteerite（实际为硅铍钇矿）。时隔7年后的1794年，芬兰化学家加多林（J.Gadolin）声称从这种矿物中发现了一种新元素“钇土”，将其命名为Yteelium（钇）。大家都把1794年算作人类发现稀土的起始年。其实，当初加多林发现的“钇土”只不过是“钇组稀土”混合氧化物。科学家后来又从中相继发现了镱、铒、铽等重稀土元素。 　　钇位于元素周期表中ⅢB族，但它不是“镧系家族”成员。其原子量为88.9，金属比重仅为4.47,而镧系元素中铽以后的金属比重均在8以上，也就是说钇比镧系金属轻得多。但钇的离子半径（0.9）却与铽（0.923）、镝（0.912）、钬（0.901）等非常接近，使其化学性质更接近重稀土元素。在自然界中钇与其它重稀土元素总是共生在一起。由于钇的地壳丰度较高（30ppm），在稀土家族中仅次于铈、镧、钕等轻稀土元素，远高于其他重稀土元素，又是第一个被发现，也就理所当然地成为重稀土家族的“族长”。钇组重稀土通常包括钇和铽镝钬铒铥镱镥等八个成员。重稀土矿的名称通常也以钇作为代表，如磷钇矿、褐钇铌矿、高钇离子型矿和中钇富铕离子型矿等，都是以钇为主要成分的重稀土矿。我国不但拥有储量居世界第一的内蒙古白云鄂博轻稀土矿山，还拥有南岭地区我国特有的重稀土资源，我国氧化钇工业储量达22万吨，占世界总储量51万吨的43%，也居世界首位。 　　由于自然界重稀土资源远少于轻稀土，按照“物以稀为贵”的原则，重稀土价值普遍高于轻稀土，限制了重稀土的广泛应用。但钇由于资源充足，性能优异，成为重稀土家族中用途最为广泛的一员。 　　金属钇是镁、铝、钛等有色金属的优良净化剂和改性添加剂。钇镁合金拥有良好的高温机械性能和优异的高温抗氧化性能，可用作航空、航天、家用电器和机器人等方面的结构材料。日本开发出具有高强度、高延展性、耐热、质轻的含钇2%的镁合金，声称是世界上强度最高的镁合金，其强度至少是普通镁合金的2.5倍。在其横截面积为1平方毫米的合金丝上挂60千克的重物也不会变形，同时具有高强度和高延展性。众所周知，稀土硅铁镁中间合金是生产球墨铸铁的球化剂，如果采用钇基重稀土合金作为球化剂，由于钇具有优良的抗球化衰退作用，特别适合于生产水轮机主轴等大断面球铁铸件。但这种稀土合金有时是钇和铽镝等稀缺重稀土的混合物，用起来总让人感到可惜。 　　钇最为广泛的用途还是各种功能材料。在发光材料、激光材料、高温超导材料和精密陶瓷材料等领域中钇都显示出特别优异的性能。 　　20世纪60年代，以铕为激活剂、钇化合物为基质材料的红色荧光粉诞生，包括铕激活的钒酸钇（YVO4∶Eu3+）、氧化钇（Y2O3∶Eu3+）和硫氧化钇（Y2O2S∶Eu3+）红色荧光粉很快被应用于彩色电视显象管（CRT）中，解决了彩电三基色中红色不纯正的难题，使彩电画面的色彩质量产生飞跃性提高，能够更加逼真地再现五光十色的大千世界。尽管目前等离子和液晶等新型彩电不断涌现，但由于CRT技术成熟，性能不断改进提高，至今在高清晰度彩电和计算机显示器中仍拥有很大市场。以钇为基质材料的多种红色荧光粉还被用于新型电光源和平面显示，如稀土三基色红色荧光粉（Y2O3∶Eu3+），已被广泛应用于各种紧凑型和直管型稀土节能灯，用于取代钨丝白炽灯，可节电80%，而且照物色彩不失真，被称为新型绿色节能照明产品。这类红色荧光粉还被用于等离子平面显示，即当前十分流行的壁挂式等离子彩电。也被用于投影电视用红色荧光粉（Y2O3∶∶Eu3+）。钇还被用于长余辉荧光材料，如以铥为激活剂的硫氧化钇（Y2O2S∶Tm3+）制得的橙黄色长余辉荧光粉，以钐为激活剂的硫氧化钇（Y2O2S∶Sm3+）红色长余辉荧光粉，都可用于夜间自发光显示器件。 　　钇铝石榴石（Y3Al5O12，简称YAG）是用途十分广泛的一类晶体材料。掺钕钇铝石榴石（YAG∶Nd）激光晶体具有良好的光学均匀性，机械强度高，物化性能稳定，导热系数高，激光性能良好及生长工艺成熟等优点，在室温下可实现连续脉冲运转，是目前固体激光材料中用量最大的激光晶体。广泛用于激光打孔与焊接、激光测距、激光制导和医用激光手术刀等方面，已是军用固体激光技术的支柱材料。掺钕硼酸钇钡YBa3(BO3)3∶Nd+3等新型激光晶体，可产生1060nm波长的激光输出。用其制成的固体激光器可用于光谱学、生物医学、军事等诸多领域。钇铝石榴石还被用作荧光材料，如以铽为激活剂，以钇铝镓石榴石为主要基质的绿色荧光粉被用于投影电视。 　　在最新型的照明技术——半导体照明