奇功异能话稀土

“稀土”指的是化学元素周期表中的一组元素，它由镧(La)，铈(Ce)，镨(Pr)，钕(Nd)，钷(Pm)，钐(Sm)，铕(Eu)，钆(Gd)，铽(Tb)，镝(Dy)，钬(Ho)，铒(Er)，铥(Tu)，镱(Yb)，镥(Lu)，钪(Sc)，钇(Y)共17种元素组成。由于它们物理、化学性质相似，并且总是共生伴生在一起，所以人称“稀土17姐妹。”其中又根据某些差异和分离工艺的需要分为轻稀土组，重稀土组或轻、中、重三组。“稀土”的得名完全是由于历史的原因。18世纪末期，稀土元素才开始陆续被人们发现。当时人们习惯于把不溶于水的固体氧化物称作“土”。比如氧化铝被称为铝土，氧化镁叫苦土，氧化铝、二氧化硅等的组合物叫陶上、瓷土等等。稀土元素大部份也是以固体氧化物的形式存在，在当时分离出来的稀土元素的量非常稀少，因而被称为“稀土”。实际上，稀土既不稀也非土。17种稀土元素共占地壳总重量的0.0153%，其总量比铜在地壳中的含量还多一半，比锡、钴、银、汞等元素多得多。自然界已经发现的稀土矿物有250种以上，其中最主要的有氟碳铈镧矿，独居石矿、磷钇矿和离子吸附型稀土矿等。我国稀土称雄世界，已探明的稀土工业储量占全世界的80%以上，而且资源品种齐全，质量优良，分布广泛，遍布内蒙古、江西等18个省、市、自治区。稀土还是典型的金属元素，它们的活泼性仅次于碱金属和碱土金属。稀土金属外表朴素，大都成银灰色、淡黄邑或浅蓝色。稀土金属与水作用可放出氢气，与酸作用反应更激烈，但一般与碱不发生反应。稀土元素排在周期表中的ⅢB族，除钪、钇外，其余15个元素都属于镧系元素，有明显的共性。它们在与别的元素化合时，通常失去最外层的2个2s电子和次外层的一个d电子，因而正常的原子价是三价。但由于4f电子层的全无，全满或半满，除三价态之外，铈等元素可被氧化到四价，钐、铕等可还原成二价。正是利用了它们的共性、个性和价态的变化。使人们能够把抱成一团的稀土17姐妹一个一个地分离出来，并在应用中发挥出它们的奇功异能。

一、更新换代的发光材料

虽然人们认识稀土的时间并不长，但稀土在人们的生活中已经无处不在。举个例说，当你拿起打火机打火时，那迸发火星的打火石，就是稀土镧、铈与铁的合金制成的。

在电灯问世之前，汽灯是代替松明火把的最亮工具。那发出强烈光芒的汽油灯芯，就是浸过硝酸铈溶液的织物纱罩被烧光后变成的氧化铈。

一段时间里，城市街道广场普遍使用高压水银灯，这种灯大都发的是蓝、绿、紫色光，缺红光，照在人脸上十分难看。在高压水银灯中加进稀土铕的荧光粉，就加进了红色光谱，不但提高了灯的亮度，也更接近于自然光，人的脸色就不再难看了。现代城市照明已大量更新为节能新光源稀土钪钠灯。而更先进的三基色稀土荧光灯，将成为未来照明工业的骄子。

稀土金属在制造发光材料方面的用量正在急剧增加。彩色电视和高强度照明用的红色荧光粉，是稀土铕和钇的氧化物。它们发光效率高，色彩稳定，可使图象的亮度增强百分之40。由于稀土金属的光谱丰富，能量分布均匀，可以得到强度高、颜色匀称的弧光。电器工业就利用稀土金属的各种氟化物制造碳弧电极，用在探照灯、弧光灯和彩色电视上，使稀土氟化物成为更新换代的优异阴极发射材料。

二、玻璃工业的美容剂

现代建筑大量使用玻璃。普通的玻璃无色透明，显得清冷单调。在玻璃里加入少量稀土，立即给玻璃带来了五颜六色：玻璃里加入铈化合物变成黄色，加入镨变成绿色，加入钕变成紫色，加入铒变成红色，同时加人钕和硒变成玫瑰色、加入镨和硒又变成另一种颜色。稀土把玻璃打扮得五彩缤纷、婀娜多姿。

稀土是玻璃的着色剂，同时又可以成为脱色剂，使玻璃变得更加晶莹透明，并提高玻璃的强度和耐热性。用轻稀土作玻璃的脱色剂，不但可以提高玻璃的透明度，还可使玻璃在长期日晒雨淋中不变化。

稀土还能改变玻璃的性能。有些稀土加入到玻璃里，能使玻璃具有吸收紫外线和通过红外线的能力。在玻璃里加入铈，即使在核辐射的长期照射下也不变黑，可以用来防护原子反应堆发出的放射线。加入铈和钒，可以使玻璃在阳光照射下变成红色，用来测定阳光照射的强度。加入钐、钆的氧化物，则可用于制造防护中子辐射的眼镜玻璃。加入一些稀土氧化物，能够提高玻璃的折射率和降低色散，使玻璃的光学性能变好、映象清晰、分辨率高，用来制造高质量的照相机和电影摄影机镜头、潜望镜、光度计、各种棱镜以及其它精密光学仪器。在军事和科学研究上，稀土被用来制成一系列真空镀膜光学元件和光学纤维面板，担负特殊的用途。

现代光学玻璃，尤其是精密的光学玻璃，几乎都是用稀土抛光粉抛光的。同古老的红粉抛光相比，稀土抛光粉抛光的玻璃光洁度好，合格率多，使用寿命长。

三、陶瓷制品的改性剂
掺稀土的陶瓷，能够在更高的温度下工作，避免或减少陶瓷产生裂缝。加硫化铈可以改善陶瓷的电学性能。加二氧化铈能使瓷釉的消音性能更好。将稀土色剂加入到陶瓷中制成变色陶瓷，可在不同光照下呈现不同色彩。

四、冶金工业的“维生素”
稀土元素一般原子半径和离子半径都特别大，这一特殊的几何性质使稀土很容易填补在生长中的铁或合金的晶粒新相的表面缺陷，生成能阻碍晶粒继续生长的膜，从而使晶粒细化。晶粒细化后不但能提高金属或合金的塑性，消除热脆性，有利于轧制和锻造，还能减少表面缺陷、裂纹，提高耐磨性和抗腐蚀性。因而，稀土元素被称为冶金工业的“维生素”。例如，只要在钢铁或有色金属里加进万分之几到千分之几的稀土，就可以起到强烈的脱氧，除硫及清除砷、锑、铋等有害杂质，又能细化合金组织，使金属的内部结构更加致密，大大改善钢铁和有色金属的加工性能。在球墨铸铁里加进稀土，可以提高生铁的可锻性和强度，使它既耐磨又抗疲劳，提高韧性，达到或超过钢的性能，用来“以铁代钢”、“以铸代锻”，节约钢材提高劳动生产率。石油工业的发展，需要大量长距离、大口径、高强度、薄管壁的输油气管道。生产这种管道就是采用混合稀土金属作添加剂来清除杂质，提高管道的耐蚀性、耐热性并且改善低温脆性的。

滚珠轴承钢和合金工具钢的硬度很高，但塑性、韧性较差，加工时容易产生裂缝，造成废品，加入稀土金属就可以克服这些弱点。

不锈钢、耐热钢、硅钢里如果含有一定数量的稀土金属，不仅加工性能会得到改善，高温下的抗氧化性也会有明显的增强。

稀土镁合金具有很多的抗高温蠕变能力，良好的可铸性和室温可焊性，已用于宇航工业中做喷气发动机的传动装置等。钇基合金则可能取代传统的高温耐热合金。稍加一点稀土金属到铝合金里，就能够提高铝合金的耐热性和耐蚀性。混合稀土和铈加进镍基合金，制成加热元件，使用寿命将会成倍地增长。含钆的钴合金抗氧化能力强，能使船用涡轮机的耐蚀能力提高10倍。诸如此类不胜枚举。

五、神通广大的催化剂

“稀土催化”可以用到各个方面。硫酸铈是氧化二氧化硫的催化剂；氧化铈是聚脂生产的催化剂；硝酸铈是合成尼龙、人造羊毛的催化剂。稀土催化还可用到合成橡胶和化肥的生产上。我国研制成功的稀土分子筛催化剂用于石油的催化裂化较原来的催化剂活性高、寿命长、处理能力大、汽油产率高，还能改善汽油的质量。

六、环保工业的“清洁剂”

在当今世界日益突出的环境保护上，稀土也身手不凡。稀土化合物广泛用来有效地清除工业废水里的磷酸盐、氟化物等杂质。在汽油中加入铈的络合物，可以代替有毒的四乙基铅作抗爆剂用以消除公害。稀土元素在防止污染方面正发挥越来越大的作用。

七、性能卓越的染色剂

稀土染色是国内纺织业正在兴起的一项新技术。稀土染色不仅能降低劳动强度，改善劳动环境，还可大大节约产品成本。经过稀土处理的皮毛异常柔软、富有光泽、身价倍增。

八、天然高效的医疗保健材料

稀土用于保健卫生是最近几年的事。稀土磁疗链虽然发明不久，但已被广大患者证明有减轻疼痛、稳定血压和止咳化痰等作用。用铥、钷的放射性同位素制作的一种轻便的手提X射线机，只有2公斤重，携带方便，非常适用于战地医疗和野外、流动工作场地使用。

九、农牧渔业的丰产素

稀土氧化物无毒。在农业上施用稀土微肥，既可取得良好的生产效果，又完全可靠。多年试验证明，稀土对粮食，油料，水果，蔬菜等十几种农作物确有一定的增产作用。小麦、水稻的增产幅度为8%左右；花生、甜菜、烟草等为8—12%；蔬菜、水果为10—15%。稀土微肥不但能使农作物增产，还可改善部分农产品的品质。西瓜、甜菜、甘蔗施用稀土微肥后，绝对含糖量提高0.4—1.0%；苹果、荔枝、龙眼、葡萄中的维生素C含量增加，甜酸比得到改善。在烟草和白菜上施用稀土微肥，可提高烤烟的上等烟产率和大白菜的实心率。稀土用于林木育种，可以提高种子的萌发率，促进树苗生长。稀土用于养鱼、养猪、养羊、喂鸡也都取得了令人满意的效果。

十、核工业的控制材料、结构材料和屏蔽材料

17个稀土元素的核性质是多种多样的。中子俘获截面很小的钇、比重4.34，比钛还轻，是很有前途的原子反应堆的结构材料。而中子俘获截面很大的钆、铕、钐，能够强烈地吸收中子，可做成反应堆的控制棒或停堆棒，还可用作屏蔽材料。用稀土同位素镨制成微型原子电池，体积极小，利用原子能长期发电，可以免受外界温度、压力的影响。

十一、新一代电子材料

日新月异的电子工业也是稀土元素的用武之地。稀土金属镝和钬制成的小型磁透镜，效能与500公斤重的铁芯磁透镜匹敌，而重量却只有后者的1/250，是高压电子显微镜的重要部件。作为一种新型的磁性材料，钇铁石榴石早已在无人驾驶飞机、远程导弹的控制仪表中得到应用。第三代永磁材料钕铁硼，磁能达300千焦耳/立方米，比第二代永磁材料钐—钴永磁体的磁能高一倍。用稀土永磁体制作电子器件，可成倍地缩小体积，减轻重量，在航空航天、微波管、电子表、无摩擦轴承、微型直流电机等方面，都发挥了独特的作用。存贮器是现代计算机的重要部件，现代计算机最先进的磁泡存贮器，就是用钇、铽、铥等稀土金属做成的。微波技术上用到的容量大、耐高压装配式集成电路，也是用稀土钇、镧、镱做成的。

十二．无坚不摧的激光材料

激光是本世纪下半叶物理学领域内最卓越的科技成果之一。亮度极高的激光，可以在一瞬间使压力达到上百万公斤，温度上升一、二十万度，将诸如金刚石之类最坚硬的物质化为一缕青烟。用来制造激光器的物质很多、但许多是稀土金属，如掺钕激光玻璃、掺钕钇铝石榴石单晶、掺钕硅酸氧钇晶体、掺钕铝酸钇单晶等等。激光就是由钕离子的电子能级跃迁产生的。用掺钕钇铝石榴石做成的激光器，体积小、效率高、工作性能稳定。

激光给国防军事、工业生产、医学卫主和科学研究的发展带来了革命性的变化。利用激光的特点。在焊接切割、打孔测量、定位跟踪、摇控通讯、外科手术上都得到了广泛的应用。激光用于摄影，产生了新的立体照相技术全息摄影，打开了人类的新视域。

十三、科技前沿的超导材料

人们也许没有忘记，十年前，也就是1987年，世界范围内曾爆发了一场争分夺秒的“超导”大战。所谓“超导大战”，就是研究和寻找高临界温度超导体的竞赛。超导体简单地说就是一种0电阻导体。以前人们只在超低温状态下发现某些材料有0电阻现象，而在高临界温度下，却很难找到这种材料。1987年的“超导大战”使人们发现，当前世界0电阻温度最高的超导体是钡钇铜氧新型超导材料，这些材料中的钇、镧等成份，就是稀土中的成员。超导体不仅可以应用于核聚变、超导磁悬浮列车、医疗器材等，还可以制造出超导薄膜、超导线材，应用于无损耗输电、功率大体积小的发电机和超级电脑等。有人预言，超导体进入人类生活，其意义不亚于“蒸汽机革命”，这不仅是稀土应用、超导物理学上的一个重要里程碑，还将使整个世界改变面目。

随着科学技术的发展，稀土的应用范围越来越广。稀土金属也将在更加广阔的领域里发挥出更多的奇功异能。

（《地球》98年第2期）

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