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稀土材料的應用之廣泛,除了與我們的生活息息相關的手機、電視螢幕、音響、節能燈泡之外,也是許多高科技產品生產的重要材料,像是電動汽車、磁浮列車、核能工業以及超導體等等的產品都少不了它。因此在材料界,稀土可是佔有舉足輕重的地位。  

●認識稀土

稀土元素(rare-earth element,REE)亦稱稀土金屬。由元素週期表第III族的鈧、釔和鑭系元素組成,共包含了17種元素。 稀土之特別之處在於其元素的電子結構特殊,化學活性極強,又具較大的原子半徑,因此對一般金屬與合金具有以下幾點優良的改性潛力:

 一、變質作用:合金中加入稀土元素後,組織結構會有明顯細化。 

二、淨化作用:稀土元素活性大,且有晶面吸附性,因此常與金屬中的雜質元素相互作用,生成穩定的化合物分佈在晶界上,從而降低固溶體中的雜質含量,改善金屬的力學和物理性能

          *固溶體是指溶質原子溶入溶劑晶格中而仍保持溶劑類型的合金相

三、強化作用:在金屬中有一定的固溶度。在固溶度小的鐵、鈷、鎳等金屬中為合金化作用,同時再晶界處的偏聚抑制晶粒長大,提高金屬及合金變形抗力和斷裂抗力。 

     *固溶度(solid solubility):溶質固溶於溶劑內所形成的飽和固溶體內溶質的濃度。

     *晶粒長大其實只是一種晶界的位移過程

四、改善高溫力學性能:細化合金組織,還能阻止加熱過程中晶粒的長大,因而可提高金屬性合金的高溫斷裂抗力。

五、抗高溫抗腐蝕及抗氧化性能:稀土改善氧化磨的結構,提高氧化膜與基體的黏附性,不易剝落保護性良好,明顯提高氧化性。

六、表面改質作用:能增加金屬元件表面處理的滲透速度、滲透厚度、降低共滲透溫度、節約能源,提高表面滲層的抗磨、抗腐蝕性能。

●稀土材料的應用

1.稀土拋光材料:稀土在玻璃器件的拋光,主要以CeO2為主。新型的氧化铈基稀土拋光粉主要用於液晶顯示幕、集成玻璃、存儲光碟、精密光學玻璃等等。

 2.稀土磁性材料:釹、釤、鐠、鏑等等是製造現代超級永磁材料的主要原料,其磁性高出普通的永磁材料的4-10倍,廣泛的被應用到電視、音響、醫療設備、磁浮列車及軍事工業等等高科技領域。稀土鈷及釹鐵硼永磁材料,具有優良磁性材料之特性,被廣泛運用於電子及航太工業。

 3.稀土觸媒/催化材料:除了用於製造石油裂化催化劑之外,也廣泛應用於許多化學反應。稀土也在汽車廢氣淨化中,有提高催化劑載體的機械強度、可使有毒的CO轉化成CO2以及提高催化劑活性等等的作用。

 4.稀土貯輕材料:稀土與過渡元素鎳的化合物—MMNi5(MM為混合稀土金屬)和LaNi5是優良的吸氫材料,被稱為「氫海綿」。(荷蘭飛利浦公司發現LaNi5具有優異的貯氫性能,也就是貯能量的性能。理論容量高達372Watt-hr/Kg。具有加熱吸氫;冷卻放氫的特性,作用的化學式如下:LaNi5+3H2 →LaNi5H6)

 5.稀土發光/光學材料:由於稀土元素特殊的電子結構層,使其有豐富的電子能級和發光激發態,可以產生豐富的輻射吸收和發射,幾乎涵蓋從紫外線到可見紅光的範圍。因此被廣泛應用在資訊顯示、醫療、照明、高能粒子探測紀錄、光電通信、軍事等等領域。

 6.稀土超導材料:有著零電阻以及完全反磁性的特性。釔鋇銅氧元素改進的釔基氧化物所製作的超導材料,可在液態氮的溫區<-196℃(<77K°)獲得超導體,使超導體材料有很大一步的突破。

 7.冶金工業領域:冶金工業中稀土的用量很大,佔了總用量的1/3。稀土元素易與氧和硫生成高熔點且在高溫下塑性很小的氧化物、硫化物以及硫氧化合物等。在鋼水中加入稀土,可起脫硫與脫氧作用,改善鋼的常、低溫韌性,減少某些鋼的熱脆性並能改善加工性合焊接件的牢固性。

 8.國防應用:稀土於路、海、空、資通電軍都有重要的作用,例如:用於裝甲鋼、火炮結構件、坦克雷射測距、航天器使用結構件,以及電子干擾戰用行波管等等。

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