稀土元素是典型的金屬，具有金屬的通性，延展性好，能夠?qū)帷?dǎo)電，其電子能級(jí)和譜線較普通元素更多種多樣，它們可以吸收和發(fā)射從紫外、可見(jiàn)到紅外譜區(qū)各種波長(zhǎng)的電磁輻射，僅釓原子的某個(gè)激發(fā)態(tài)就有多達(dá)36000個(gè)能級(jí)。稀土元素4f亞層未成對(duì)電子與其他元素外層電子如d電子間的相互作用，形成豐富多彩、性能各異的稀土材料系列，其中杰出的發(fā)光性能和獨(dú)特的磁學(xué)性質(zhì)是稀土元素所具有的兩大突出特性。被稱(chēng)為“工業(yè)黃金”也不為的稀土材料，在軍事、冶金、石油化工、新材料等方面都有不可替代的作用。下文小編與大家一起盤(pán)點(diǎn)一下，稀土材料的應(yīng)用領(lǐng)域~

▲鈧、釔與鑭系15種元素共17種元素總稱(chēng)為稀土元素（RE）。“輕稀土元素”指原子序數(shù)較小的鈧Sc、釔Y和鑭La、鈰Ce、鐠Pr、釹Nd、钷Pm、釤Sm、銪Eu；“重稀土元素”原子序數(shù)比較大的釓Gd、鋱Tb、鏑Dy、鈥Ho、鉺Er、銩Tm、鐿Yb、镥Lu。我國(guó)稀土資源分南（輕）北（中重稀土）兩大塊。

1、稀土永磁材料

在眾多稀土新材料中，稀土永磁材料的發(fā)展速度和產(chǎn)業(yè)規(guī)模皆居前列。稀土永磁材料是眾多磁功能器件的物質(zhì)基礎(chǔ)，已成為電子技術(shù)通訊中的重要材料，其應(yīng)用程度是一個(gè)國(guó)家和地區(qū)科學(xué)研究水平和應(yīng)用技術(shù)高低的一個(gè)重要標(biāo)志。稀土和智能手機(jī)看起來(lái)毫無(wú)聯(lián)系，實(shí)際上，應(yīng)用于聲學(xué)、自動(dòng)對(duì)焦、振鈴、傳感器等，一臺(tái)智能手機(jī)用到超過(guò)10塊稀土“磁石”--釹鐵硼永磁體；制造一臺(tái)新型電動(dòng)汽車(chē)更能需要近百塊稀土永磁體；直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)其核心材料為釹鐵硼永磁體，經(jīng)技術(shù)人員測(cè)算，一臺(tái)1.5WM的直驅(qū)使用釹鐵硼永磁體達(dá)到1.2噸；“十三五”期間，城市軌道交通規(guī)劃線路總規(guī)模為7305.3公里，若全部采用永磁牽引系統(tǒng)，大約需要釹鐵硼1827噸，我國(guó)軌道交通對(duì)釹鐵硼的總需求約4577噸；工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)在不斷擴(kuò)大中，工業(yè)機(jī)器人核心零部件為控制器、永磁同步伺服電機(jī)、減速器，而制造一臺(tái)165kg焊接機(jī)器人需要消耗25公斤高性能釹鐵硼。

稀土永磁材料按開(kāi)發(fā)應(yīng)用時(shí)間可分為第一代釤鈷（SmCo5）、第二代釤鈷（Sm2Co17）和第三代釹鐵硼（Nd2Fe14B）稀土永磁材料。

潛力領(lǐng)域--新能源汽車(chē)。汽車(chē)行業(yè)是稀土永磁材料的第一大消費(fèi)領(lǐng)域。全球新能源車(chē)需求爆發(fā)，帶動(dòng)了稀土永磁材料需求的快速增長(zhǎng)。據(jù)IEA《全球電動(dòng)汽車(chē)展望》假如到2030年，全球純電動(dòng)車(chē)到1.45億輛，預(yù)計(jì)消耗高性能釹鐵硼在43.5萬(wàn)噸，消耗氧化鐠釹13萬(wàn)噸；如果到2.3億輛，預(yù)計(jì)將消耗高性能釹鐵硼69萬(wàn)噸，消耗氧化鐠釹20.7萬(wàn)噸。2021年氧化鐠釹全球供應(yīng)量預(yù)計(jì)在7萬(wàn)噸，純電動(dòng)車(chē)按照400萬(wàn)輛算，氧化鐠釹消耗量在3600噸，未來(lái)純電動(dòng)汽車(chē)對(duì)于鐠釹的需求大幅增加。

▲稀土永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為新能源汽車(chē)的核心部件，可以大幅減輕電機(jī)重量、縮小電機(jī)尺寸、提高工作效率，特斯拉大眾版車(chē)型Model3已全部采用稀土永磁電機(jī)。

家電行業(yè)為稀土永磁材料的第二大消費(fèi)體：受益于低碳環(huán)保之風(fēng)，節(jié)能變頻空調(diào)與節(jié)能電梯滲透率不斷提高。

2、先進(jìn)陶瓷助燒結(jié)劑

陶瓷材料一般具有較高的燒結(jié)溫度，很難直接通過(guò)純相燒結(jié)達(dá)到致密化，當(dāng)加入燒結(jié)助劑后，由于它在高溫下可以生成液相，就能使得燒結(jié)溫度大為降低，從而獲得燒結(jié)致密的陶瓷材料。而稀土氧化物高溫?fù)]發(fā)性弱，可以在高溫下與其他原料生成穩(wěn)定的液相，甚至可以形成固溶體，從而促進(jìn)陶瓷材料的燒結(jié)，因此作為有效的燒結(jié)助劑已經(jīng)獲得了廣泛應(yīng)用。

氮化物是難以燒結(jié)的材料，但是如果加入一些氧化釔（Y2O3）作為助劑，則可以獲得致密且堅(jiān)固的燒結(jié)體，應(yīng)用案例如新能源汽車(chē)上用的高導(dǎo)熱率的氮化鋁（AIN）、氮化硅（Si3N4)基板材料。

▲氮化硅陶瓷基板

3、抗等離子體腐蝕涂層

在硅晶片的制造過(guò)程中，干法刻蝕是重要的環(huán)節(jié)之一。通常是利用等離子體來(lái)對(duì)晶圓進(jìn)行轟擊，同時(shí)活性原子或原子團(tuán)與晶圓材料反應(yīng)，生成揮發(fā)性的物質(zhì)被真空系統(tǒng)帶走，從而達(dá)到刻蝕的目的。但在生產(chǎn)過(guò)程中，氟等離子體同樣會(huì)對(duì)刻蝕腔內(nèi)器件造成侵蝕，導(dǎo)致設(shè)備零部件壽命降低，維護(hù)成本升高。同時(shí)，形成的刻蝕產(chǎn)物以懸浮微粒的形式從內(nèi)壁脫落，彌散在腔體中，也會(huì)導(dǎo)致晶圓污染，成品率下降。因此應(yīng)當(dāng)提高刻蝕腔內(nèi)零部件的耐等離子刻蝕性能。

▲球形的稀土氧化物顆粒適合于CIP成型和熱噴涂

來(lái)源：NIPPONYTTRIUMCO.,LTD

研究表明氧化釔陶瓷具有優(yōu)異的耐等離子刻蝕性能力，造粒氧化釔涂層具有優(yōu)良的電氣絕緣和抗等離子體腐蝕性，可應(yīng)用于半導(dǎo)體制造中的等離子蝕刻機(jī)防護(hù)涂層。

4、多層陶瓷電容器MLCC低溫?zé)Y(jié)改性添加劑

MLCC是目前世界上用量最大、發(fā)展最迅速的片式元器件之一。MLCC不斷向微型化、高疊層、高可靠性和低成本方向發(fā)展，這對(duì)工藝技術(shù)、工藝設(shè)備及原材料制備都提出了很高的要求。

BaTiO3是典型的鐵電材料，是一種重要的電子陶瓷材料，廣泛用在如陶瓷電容器、正溫度系數(shù)的熱敏電阻、壓電和鐵電器件等各種電子元件中。而正是它在室溫下具有高的介電常數(shù)和低的介電損耗，是作為片式多層陶瓷電容（Multiplayer Ceramic Chip Ca-pacitors，英文縮寫(xiě)MLCC）的優(yōu)良陶瓷介質(zhì)材料。但隨著作為內(nèi)電極的鈀價(jià)格不斷攀升，為降低MLCC產(chǎn)品的成本，采用摻入熔點(diǎn)低的銀，因而減少鈀的含量以及滿(mǎn)足低溫共燒技術(shù)（LTCC）就必須實(shí)現(xiàn)鈦酸鋇基陶瓷的低溫?zé)Y(jié)。況且燒結(jié)溫度高不僅會(huì)促進(jìn)陶瓷晶粒長(zhǎng)大，導(dǎo)致陶瓷介電常數(shù)降低，也會(huì)增加能量消耗，減少設(shè)備的使用壽命。因此鈦酸鋇基陶瓷的低溫下燒結(jié)具有很重要的實(shí)際意義。

▲多層陶瓷電容器MLCC

除了介電常數(shù)，絕緣電阻也是MLCC產(chǎn)品介電性能的重要衡量指標(biāo)之一，它影響著電容的電容量大小，絕緣電阻率越高，電容量就越高，單位體積內(nèi)能存儲(chǔ)的電量也越多。在MLCC產(chǎn)品工藝?yán)镞呌绊懡^緣電阻的因素不僅包括了外界的工藝條件和電容的構(gòu)造，最重要的是還包括了MLCC產(chǎn)品陶瓷材料的品質(zhì)。加入燒結(jié)助劑來(lái)降低燒結(jié)溫度是使用最多也是最有效的一種方法，但而添加玻璃相助燒劑后的樣品的絕緣電阻普遍偏低，往往難以滿(mǎn)足應(yīng)用要求。通過(guò)多種稀土金屬氧化物（SmO3、YbO、CeO和GdO）摻雜，可以改善基料的絕緣電阻和介電損耗。

5、稀土儲(chǔ)氫材料-鎳氫電池負(fù)極

氫作為二次能源，關(guān)鍵是解決氫的高密度安全儲(chǔ)存問(wèn)題。目前主要用液態(tài)氫的高壓容器儲(chǔ)存法，但最好的方法是利用儲(chǔ)氫材料。稀土儲(chǔ)氫材料目前主要有兩個(gè)應(yīng)用方向，鎳氫電池和儲(chǔ)氫裝置。鎳氫電池廣泛用于混合動(dòng)力汽車(chē)、電動(dòng)工具及工業(yè)和民用電池。鎳氫蓄電池是目前大部分商業(yè)化的混合動(dòng)力汽車(chē)（例如豐田普銳斯）非常重要的組成部分。

▲古老的鎳氫電池有這些優(yōu)點(diǎn)：大功率放電，低溫性能好（-40℃下也可順利充放電），抗過(guò)充過(guò)放能力強(qiáng)，循環(huán)壽命長(zhǎng)

眾所周知，作為鎳氫電池的負(fù)極材料，儲(chǔ)氫合金是制約其性能的關(guān)鍵因素。根據(jù)材料成分和結(jié)構(gòu)的不同，目前研究和開(kāi)發(fā)應(yīng)用中的儲(chǔ)氫電極合金主要可分為四種類(lèi)型：稀土系A(chǔ)B5儲(chǔ)氫合金，AB2型Laves相合金，Mg基合金和V基固溶體型合金。根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，目前開(kāi)發(fā)較多的金屬儲(chǔ)氫材料可分為：以LaNis為代表的稀土系A(chǔ)B5型（CaCus結(jié)構(gòu)）；鋯、鈦系Laves相AB2型（MgCu2或MgZn2結(jié)構(gòu)）；鈦系A(chǔ)B型（CsCl結(jié)構(gòu)）以及鎂系A(chǔ)2B、AB3型等幾種。其中稀土系A(chǔ)B5儲(chǔ)氫合金和AB2型Laves相合金作為Ni/MH電池用負(fù)極材料已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。

6、固體氧化物型燃料電池SOFC

固體氧化物燃料電池（solidoxidefuelcell，SOFC）是最高效率的燃料電池，也稱(chēng)作陶瓷燃料電池，是一種在中高溫下將各種燃料氣（天然氣、垃圾填埋氣、煤氣、甲醇等）的化學(xué)能高效地轉(zhuǎn)化為電能的全固態(tài)燃料電池。SOFC由電解質(zhì)（陶瓷材料）、陽(yáng)/陰極、連接體（陶瓷或合金）構(gòu)成單電池，再由多個(gè)單電池構(gòu)成電堆。

氧化釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)材料廣泛用作SOFC技術(shù)中的致密電解質(zhì)，為電解質(zhì)，在高溫下（900-1000℃）傳遞O^2-，在電池中起著傳導(dǎo)O^2-、分隔氧化劑和燃料的作用。

7、稀土鎂合金

稀土鎂合金指含有稀土元素的鎂合金，是近年來(lái)材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。與其他金屬結(jié)構(gòu)材料相比，鎂合金具有密度低，比強(qiáng)度、比剛度高，減震性能好，電磁屏蔽能力強(qiáng)，尺寸穩(wěn)定，資源豐富，鑄造性能、阻尼性能、切削加工性能好以及容易回收，對(duì)環(huán)境無(wú)污染等一系列優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為是“21世紀(jì)綠色環(huán)保工程材料”。被廣泛應(yīng)用在交通、制造、3C電子和航空航天等領(lǐng)域。不過(guò)鎂合金也有絕對(duì)強(qiáng)度低，高溫下力學(xué)性能較差，室溫變形加困難，易腐蝕等缺點(diǎn)。

在汽車(chē)工業(yè)的應(yīng)用。從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，鎂合金廣泛應(yīng)用于汽車(chē)工業(yè)。高性能稀土鎂合金主要用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、變速箱殼體、發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋等零部件中。福特、通用、戴姆勒—克萊斯勒、奔馳、大眾、豐田、菲亞特—阿爾法等汽車(chē)公司紛紛采用稀土壓鑄鎂合金。豐田汽車(chē)的方向盤(pán)加裝安全氣囊后質(zhì)量增加，采用AM60B壓鑄鎂合金后，與鋼制品、鋁制品相比，質(zhì)量減少了45%和15%，并減少了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的震動(dòng)。中國(guó)奇瑞汽車(chē)已100%采用鎂合金方向盤(pán)，并力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)單車(chē)鎂合金達(dá)到30kg。中國(guó)一汽和中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所（下稱(chēng)“長(zhǎng)春應(yīng)化所”）合作開(kāi)發(fā)高性能稀土鎂合金，已經(jīng)形成年產(chǎn)1500噸鎂合金壓鑄件(包括輪轂、發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、變速箱殼體等)的批量生產(chǎn)能力，建成了我國(guó)最大的高性能稀土鎂合金產(chǎn)業(yè)化示范基地，批量生產(chǎn)耐熱、抗蠕變的稀土鎂合金汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋。

3C產(chǎn)品。目前，IBM、戴爾、蘋(píng)果、東芝、松下和索尼等公司生產(chǎn)的筆記本電腦、手機(jī)、照相機(jī)、攝像機(jī)等的外殼廣泛使用稀土壓鑄鎂合金，提高了外殼的強(qiáng)度和剛度，減少了電磁波對(duì)人體的輻射，其中，應(yīng)用最為廣泛的是AZ91D鎂合金。

▲鎂合金的本本就是輕便，誰(shuí)用誰(shuí)知道

軍工方面的以應(yīng)用。鎂合金是減輕武器裝備質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)武器裝備輕量化，提高武器裝備各項(xiàng)性能的理想結(jié)構(gòu)材料。武器裝備的需要,推動(dòng)了高性能鎂合金材料及應(yīng)用技術(shù)開(kāi)發(fā)的發(fā)展。在軍工方面，以稀土金屬釹為主要添加元素的ZM6鑄造鎂合金已用于直升機(jī)減速機(jī)匣、殲擊機(jī)翼肋及30kW發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子引線壓板等重要零件。

8、汽車(chē)尾氣催化劑

為了使汽油汽車(chē)尾氣中所含的未能完全燃燒的碳?xì)浠衔铮–xHy），一氧化碳（CO）和氮氧化物（NOx）變?yōu)闊o(wú)害的CO2和N2來(lái)排放，要用到鉑和銠等貴金屬。為了穩(wěn)定其效果，要添加以氧化鈰（CeO2）為主的氧化物（稱(chēng)為助催化劑）。由于CeO2可以?xún)?chǔ)存氧氣，因此可以應(yīng)對(duì)廢氣中氧氣濃度的變化來(lái)幫助燃燒有害物質(zhì)。

9、高溫超導(dǎo)材料

高溫超導(dǎo)體并不是大多數(shù)人認(rèn)為的幾百幾千的高溫，只是相對(duì)原來(lái)超導(dǎo)所需的超低溫高許多的溫度，通常是指在液氮溫度（77K）以上超導(dǎo)的材料。液氮溫度以上釔鋇銅氧超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，使得普通的物理實(shí)驗(yàn)室具備了進(jìn)行超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的條件。高溫超導(dǎo)體包括四大類(lèi)：90K的稀土系，110K的鉍系，125K的鉈系，和135K的汞系。

釔鋇銅氧超導(dǎo)體和鉍系超導(dǎo)體已制成了高質(zhì)量的超導(dǎo)電纜。核磁共振（NMR）裝置和核磁共振成像（MRI）裝置使用超導(dǎo)磁鐵，磁場(chǎng)強(qiáng)度越高，裝置的性能（靈敏度和分辨率）就越高。目前實(shí)現(xiàn)實(shí)用化的NMR裝置和MRI裝置使用鈦（Nb）系金屬低溫超導(dǎo)線材，但受線材的物理特性限制，預(yù)計(jì)最大只能產(chǎn)生24特斯拉左右的磁場(chǎng)。而稀土（RE）系和鉍（Bi）系銅氧化物高溫超導(dǎo)線材被認(rèn)為在大幅超過(guò)24特斯拉的強(qiáng)磁場(chǎng)中也能保持超導(dǎo)狀態(tài)。

10、中子吸收材料

釓?fù)ǔＲ匝趸彛℅dO3）的形式存在，利用GdO良好的中子吸收性和耐高溫性，可將其用作核反應(yīng)堆中的中子吸收材料。釓吸收熱中子的能力非常高，因此被用作控制核裂變的材料。另外，涂有氧化釓的墻壁和基材以及釓箔都是熱中子吸收材料。用數(shù)十至數(shù)百μm厚的涂膜或箔片就可吸收熱中子從而防止放射線泄漏，未來(lái)厚屏蔽墻或許不再需要。

11、稀土光學(xué)玻璃

稀土光學(xué)玻璃主要是指含有稀土氧化物的硼酸鹽和硅酸鹽系統(tǒng)的光學(xué)玻璃。在普通光學(xué)玻璃中加入稀土元素對(duì)玻璃的光學(xué)特性會(huì)產(chǎn)生很大的影響。在普通光學(xué)玻璃中加入稀土元素能形成具有特殊性質(zhì)的特種玻璃，即稀土光學(xué)玻璃。

眾所周知，折射率是光學(xué)材料的一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)光學(xué)元件設(shè)計(jì)和應(yīng)用有關(guān)鍵的影響。稀土元素光學(xué)玻璃有很高的折射率，為光學(xué)鏡頭的設(shè)計(jì)開(kāi)辟新的可能性。今日大孔徑鏡頭中多有鑭玻璃。（釷玻璃也曾被使用，但因有放射性，已停止生產(chǎn)）

▲稀土玻璃徠卡鏡頭

除了用于光學(xué)鏡頭鏡頭外，用稀土元素的氧化物也可以作為高級(jí)有色玻璃的著色劑。

▲來(lái)源：NIPPONYTTRIUMCO.,LTD

12、激光晶體和熒光材料

稀土能吸收特定的波長(zhǎng)的波并發(fā)光。利用這種性能，稀土作為激光晶體和熒光材料被廣泛應(yīng)用。比如用于加工等各種用途的Nd激光器（1.06μm），也有用于通信的Er激光器（1.5μm），還有用于醫(yī)療的Er激光器（2.9μm）。熒光材料也途廣泛（如顯像管、熒光燈等）而且已有很長(zhǎng)的使用史。近些年Ce：YAG（黃色）等則用于白光LED。

▲釔鋁石榴石(YAG)LED熒光粉

參考來(lái)源：

1、NIPPON YTTRIUM CO.,LTD

2、張文毓.高性能稀土鎂合金研究與應(yīng)用[J].稀土信息,2018(04):8-13.

3、左洋.低溫?zé)Y(jié)溫度穩(wěn)定型鈦酸鋇基介質(zhì)材料[D].電子科技大學(xué),2011.

粉體圈編輯：Alpha

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