稀土元素鐠及其應用

　　鐠在化學元素周期表中位居鑭系元素的第三位,在地殼中的豐度為9.5ppm,僅低于鈰、釔、鑭、鈧,是稀土中第五大富存元素.但正如他的名字一樣,鐠是個樸素無華,個性似乎不太突出的稀土家族成員。

　　在稀土元素的發(fā)現(xiàn)史上，鐠和釹是同時被發(fā)現(xiàn)的。1841年，那位曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)了鑭的瑞典化學家莫桑德爾(C.G. Mosander)從“鑭土”中發(fā)現(xiàn)了新“元素”，性質(zhì)與鑭非常相似，將其定名“迪迪姆”（Didymium，希臘語為“雙胞胎”的意思），但它不是單一元素，而是鐠釹化合物。又過了40多年，那位曾經(jīng)發(fā)明了釷鈰汽燈紗罩的奧地利人韋爾斯巴赫（C.F.Auer Von Welsbach）,也正是在發(fā)明汽燈紗罩的1885年，成功地將“鐠釹”這對“連體雙胞胎”實施了分離手術(shù)，從中分離出綠色的鐠鹽和玫瑰色的釹鹽，確定它們是兩種新元素。一個取名為“鐠” （Praseodymium），來自希臘字prason，意思是綠色化合物,因為鐠鹽水溶液會呈現(xiàn)出鮮艷的蔥綠色；另一個元素則取名為“釹” （Neodymium）。這對“連體雙胞胎”的成功分離，使他們從此可以各自施展才華。

　　鐠作為用量較大的稀土元素，很大一部分是以混合稀土的形式被利用，比如用作金屬材料的凈化變質(zhì)劑、化工催化劑、農(nóng)用稀土等等。鐠釹是稀土中性質(zhì)最為相似又最難分離的一對元素，用化學法很難將其分離，工業(yè)生產(chǎn)通常采用萃取法和離子交換法。如果把他們成雙入對地以鐠釹富集物形式使用，可以充分發(fā)揮其共性作用，價格也比單一元素產(chǎn)品便宜。鐠釹合金（鐠釹金屬）已成為獨立產(chǎn)品，既可用于永磁材料，也可作為有色金屬合金改性添加劑。以鐠釹富集物的形式加入Y型沸石分子篩中制備石油裂化催化劑，可提高催化劑的活性、選擇性和穩(wěn)定性。作為塑料改性添加劑，在聚四氟乙烯（PTFE）中加入鐠釹富集物，可明顯提高PTFE的耐磨性能。

　　稀土永磁材料是當今最熱門的稀土應用領(lǐng)域。鐠單獨用作永磁材料性能并不突出，但他卻是一個能改善磁性能的優(yōu)秀協(xié)同元素。無論是第一代稀土永磁材料釤鈷永磁合金（SmCo5），還是第三代稀土永磁材料釹鐵硼（Nd2Fe17B），加入適量的鐠都能有效地提高和改善永磁材料性能。如在SmCo5中加入部分Pr取代Sm可以提高永磁材料的磁能積，兩者的比例一般為80%Sm—20%Pr，若鐠加入過多反而會降低材料的矯頑力和穩(wěn)定性。在第三代稀土永磁材料釹鐵硼中，添加鐠可以提高材料的矯頑力，德國、日本等國在生產(chǎn)高矯頑力釹鐵硼磁體時，均加入部分鐠。鐠的加入量為5％～8％，最高達10％，可取代1／3的釹。磁性材料對鐠質(zhì)量要求較高，至少應達到釹的同等質(zhì)量。加入鐠還能提高磁體抗氧化性能（耐空氣腐蝕）和機械性能，已被廣泛應用于各類電子器件和馬達上。另外，在釤鐵氮新型稀土粘結(jié)永磁材料(Sm)2Fe17N9中加Pr也能改善性能，這將進一步擴大鐠的應用。因此，隨著鐠在永磁材料的應用發(fā)展，鐠的用量和價格不斷攀升，已成為稀土產(chǎn)品中的“新寵”。

　　鐠還可用于研磨和拋光材料。眾所周知，純鈰基拋光粉通常為淡黃色，是光學玻璃的優(yōu)質(zhì)拋光材料，已取代拋光效率低又污染生產(chǎn)環(huán)境的氧化鐵紅粉。但人們發(fā)現(xiàn)，氧化釹對拋光作用不大，但鐠卻有良好的拋光性能。含鐠的稀土拋光粉會呈紅褐色，也被稱作“紅粉”，但這種紅不是氧化鐵紅，而是由于含有氧化鐠使稀土拋光粉顏色變深。鐠還被用新型磨削材料，制成含鐠剛玉砂輪。與白剛玉相比，在磨削碳素結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼、高溫合金時，效率和耐用性可提高30%以上。為了降低成本，過去多用鐠釹富集物為原料，故稱鐠釹剛玉砂輪。

　　鐠在光纖領(lǐng)域的用途也越來越廣，已開發(fā)出在1300~1360nm譜區(qū)起放大作用的摻鐠光纖放大器（PDFA），技術(shù)日趨成熟。PDFA以其優(yōu)異的性能價格比，對我國當前大量鋪設(shè)的1550nm的CATV系統(tǒng)光纖有線電視的興建改造與系統(tǒng)升級有著重大的實際意義。PDFA將從根本上改變現(xiàn)有的1550nmCATV的網(wǎng)絡格局,使1310nmCATV系統(tǒng)在HFC系統(tǒng)改造中成為替代1550nm系統(tǒng)的理想選擇。

　　鐠鹽(草酸或碳酸鹽)經(jīng)高溫灼燒，可形成棕黑色的氧化物Pr6O11，其構(gòu)成就如同4個PrO2和1個Pr2O3的組合,表明鐠有很強的呈正4價傾向。將氧化鐠加入硅酸鋯中會呈亮黃色，可用作陶瓷顏料——鐠黃。鐠黃(Zr02—Pr6Oll—Si02)被認為是最好的黃色陶瓷色料，在高達1000℃仍保持穩(wěn)定，可用于一次性或重燒工藝。鐠進入硅酸鋯晶格，占材料成份約5％。鐠黃被廣泛應用于建筑陶瓷和日用陶瓷著色，可單獨作釉下顏料，也可與陶瓷釉混合制成色釉，其著色鮮艷亮麗，色澤純正，隨含鐠量的多少，可深至琥珀黃，淺至乳白黃，用其代替?zhèn)鹘y(tǒng)的釩錫黃和釩鋯黃，可克服原先的褐色調(diào)，用來制作衛(wèi)生和建筑陶瓷，色調(diào)高潔淡雅。用其可制作獨特的仿象牙工藝美術(shù)和日用陶瓷，色彩亮麗精美，深受陶瓷業(yè)的青睞。我國、意大利和西班牙，作為建筑瓷磚的主要生產(chǎn)國，都擁有很大的鐠黃消費市場。通過氧化鐠與其他元素配伍，還能調(diào)配出鋯鐠釩綠、鋯鐠釩橙等陶瓷色料。調(diào)整氧化鐠與五氧化二釩的比例，還可制作出黃色與天藍之間色調(diào)的陶瓷色料。在鐠黃中加入CeO2，能形成略帶紅色的嬌黃色。全球用作鐠黃為主的陶瓷著色劑消費的氧化鐠估計上千噸。

　　鐠還被用作玻璃著色劑，色彩豐富，也有很大的潛在市場。可制得具有鮮亮韭綠和蔥綠色彩的“鐠綠”玻璃制品，既可制作綠色濾光片，又可用于工藝美術(shù)玻璃。在世界聞名的意大利威尼斯和捷克的水晶玻璃中都會看到鐠的亮綠色彩。在玻璃中加入氧化鐠和氧化鈰，可用作電焊用的護目鏡玻璃。硫化鐠還有望成為實用的綠色塑料著色劑。

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