铽 稀土军工材料——稀土铽

【材料+】说:

稀土元素是新能源、新材料等高科技发展不可或缺的元素，特别是在航天空、国防、军工等行业。现代战争的结果表明，稀土武器主导了战争局势，稀土的技术优势代表了军事技术优势，而资源的占有是有保障的。因此，稀土也成为世界各大经济体的战略资源，稀土等关键原材料的战略往往上升到国家战略。欧洲、日本、美国等国家和地区更重视稀土等关键材料。2008年，稀土材料被美国能源部列为“关键材料战略”；2010年初，欧盟宣布建立稀土战略储备；2007年，教育、文化、体育、科技和经济产业省提出了“元素战略计划”和“稀有金属替代材料”计划，并在资源储备、技术进步、资源获取和替代材料搜索等方面采取了持续的措施和政策。从这篇文章开始，边肖将详细介绍这些稀土元素重要的、甚至是不可或缺的历史发展使命和作用。

铽是重稀土，在地壳中的丰度很低，只有1.1ppm，而氧化铽占稀土总量的不到0.01%。即在铽含量最高的高钇离子型重稀土矿中，铽含量仅占稀土总量的1.1~1.2%，说明其属于稀土元素系列中的“贵金属”。铽为银灰色金属，延展性好，质地柔软，可用小刀切割；熔点1360℃，沸点3123℃，密度8229。4kg/m3。自1843年发现铽以来的100多年里，铽因其稀缺性和珍贵性而长期没有投入实际使用。铽只是在近30年才显示出它的独特才华。

铽的发现

在发现镧的同一时期，瑞典的卡尔·g·莫桑德尔分析了最早发现的钇，并于1842年发表了一篇报告，明确了最早发现的钇土不是单一元素氧化物，而是三种元素的氧化物。铽是1843年通过研究莫桑德尔的钇土发现的。他还把其中一种叫做钇土，其中一种叫做氧化铒。1877年正式命名为铽，元素的符号为Tb。像钇一样，它来自瑞典斯德哥尔摩附近的伊特比村，在那里首次发现了钇矿石。铽和另外两种元素镧、铒的发现，开启了稀土元素发现的第二扇门，这是稀土元素发现的第二阶段。它于1905年首次从于尔班提纯。

莫桑德尔

铽的应用

铽的应用大多涉及高科技领域，是一个技术密集、知识密集的前沿项目，也是一个经济效益显著、发展前景诱人的项目。主要应用领域如下:(1)以混合稀土的形式使用。例如，可用作农业稀土复合肥和饲料添加剂。(2)三色荧光粉中绿色粉末活化剂。现代光电材料都使用红、绿、蓝三基色荧光粉，即三基色荧光粉，可以用来合成各种颜色。铽是许多高质量绿色荧光粉不可缺少的成分。(3)作为磁光存储材料。非晶态金属铽-过渡金属合金薄膜已被用于制造高性能磁光盘。(4)制造磁光玻璃。含铽法拉第旋光玻璃是激光技术中制造旋转器、隔离器和环形器的关键材料。(TerFenol的研发开辟了铽的新用途。

用于农业和畜牧业

铽在一定浓度范围内可以改善作物品质，提高光合作用速率。铽配合物具有很高的生物活性。铽三元配合物TB (Ala) 3benim (Clo4) 3 3H2O对金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌和大肠杆菌具有良好的抗菌杀菌作用，抗菌谱广。这类配合物的研究为现代杀菌药物提供了新的研究方向。

用于照明领域

现代光电材料都使用红、绿、蓝三基色荧光粉，即三基色荧光粉，可以用来合成各种颜色。铽是许多高质量绿色荧光粉不可缺少的成分。如果说彩电用稀土红色荧光粉的诞生刺激了钇和铕的需求，那么灯用稀土三基色绿色荧光粉促进了铽的应用和发展。20世纪80年代初，菲利普发明了世界上第一个紧凑型节能荧光灯，并迅速在世界各地推广。Tb3+离子可以发射波长为545nm的绿光，几乎所有稀土绿色荧光粉都使用铽作为激活剂。

用于彩色电视阴极射线管(CRT)的绿色荧光粉一直以硫化锌为基础，价格低廉，效率高，但用于投影电视的绿色荧光粉一直是铽粉，包括Y2SiO5∶Tb3+、Y3(Al，Ga)5O12∶Tb3+、LaOBr∶Tb3+。随着大屏幕高清电视的发展，高性能的阴极射线管绿色荧光粉也在开发中。比如国外开发的一种杂化绿色荧光粉，由Y3(Al，Ga) 5O12: Tb3+，LaoCl:Tb3+和Y2SiO5: Tb3+三种绿色荧光粉组成，在高电流密度下具有优异的发光效率。

传统的x光荧光粉是钨酸钙。从20世纪70年代到80年代，增感屏用稀土荧光粉得到了发展，如铽活化氧化镧硫化物、铽活化氧化溴化镧(用于绿色屏)、铽活化氧化钇硫化物等。与钨酸钙相比，稀土荧光粉可以减少患者接受x光照射的时间80%，提高x光片的分辨率，延长x光管的使用寿命，降低能耗。铽还用作医用X射线增强屏荧光粉的活化剂，可以大大提高X射线转换成光学图像的灵敏度，提高X射线胶片的清晰度，大大降低X射线对人体的曝光剂量(减少50%以上)。

铽还被用作半导体照明用蓝光激发的白光LED的新型荧光粉的活化剂。可用于制作铽-铝磁光晶体荧光粉。蓝色发光二极管作为激发光源，产生的荧光与激发光混合产生纯白光。

铽电致发光材料主要包括以铽为激活剂的硫化锌绿色荧光粉。铽的有机配合物在紫外辐射下能发出强烈的绿色荧光，可用作薄膜电致发光材料。虽然稀土有机配合物电致发光薄膜的研究取得了显著进展，但离实际应用还有一定的差距，稀土有机配合物电致发光薄膜和器件的研究仍在进行中。

铽的荧光特性也被用作荧光探针。如用氧氟沙星-铽(Tb3+)荧光探针，通过荧光光谱和吸收光谱研究氧氟沙星-铽(Tb3+)配合物与脱氧核糖核酸(DNA)的相互作用。结果表明，氧氟沙星-Tb3+探针能与DNA分子形成结合槽，脱氧核糖核酸能显著增强氧氟沙星-Tb3+体系的荧光。基于此，

用于磁光材料

具有法拉第效应的材料，也称为磁光材料，广泛应用于激光器和其他光学器件。常见的磁光材料有两种:磁光晶体和磁光玻璃。磁光晶体(如钇铁石榴石和铽镓石榴石)具有工作频率可调、热稳定性高的优点，但价格昂贵，制造困难。此外，许多高法拉第旋转角的磁光晶体在短波范围内有很高的吸收，限制了它们的使用。与磁光晶体相比，磁光玻璃具有透光率高的优点，易于制成大块或光纤。目前高法拉第效应的磁光玻璃主要是稀土离子掺杂玻璃。

磁光存储材料

近年来，随着多媒体和办公自动化的快速发展，对新型大容量磁光盘的需求越来越大。非晶态金属铽-过渡金属合金薄膜已被用于制造高性能磁光盘。铽-铁-钴(TbFeCo)合金薄膜性能最好。铽磁光材料已大规模生产，用其制成的磁光盘可用作计算机存储元件，存储容量提高10 ~ 15倍。它们具有容量大、存取速度快的优点，对于高存储密度的光盘，可以擦涂数万次，是电子信息存储技术的重要材料。铽镓石榴石(TGG)是可见光和近红外波段最常用的磁光材料，是制作法拉第旋光器和隔离器的最佳磁光材料。

用于磁光玻璃

法拉第磁光玻璃在可见光和红外区域具有良好的透光率和各向同性，可以形成各种复杂形状，易于制造大尺寸产品，并且可以拉制成光纤，因此在磁光隔离器、磁光调制器、光纤电流传感器等磁光器件中具有广阔的应用前景。Tb3+离子是磁光玻璃中常用的稀土离子，因为它在可见光和红外范围内磁矩大，吸收系数小。

铽镝铁磁电致伸缩合金

20世纪末，随着世界科技革命的深入，新的稀土应用材料迅速涌现。1984年，美国艾奥瓦州立大学、美国能源部艾姆斯实验室和美国Edge技术公司(ET REMA)主要员工所在的美国海军水面武器研究中心共同研制出一种新型稀土智能材料，即铽-镝-铁超磁致伸缩材料。这种新型智能材料具有将电能快速转化为机械能的优良特性。由这种超磁致伸缩材料制成的水声换能器和电声换能器已经成功地应用于海军装备、油井探测扬声器、噪声和振动控制系统、海洋探测和地下通信系统。因此，铽镝铁超磁致伸缩材料一诞生，就受到了世界各国工业化国家的广泛关注。1989年，美国EdgeTechnologies开始生产terfenol-d超磁致伸缩材料，随后瑞典、日本、俄罗斯、英国和澳大利亚也相继研发出Terfenol-D超磁致伸缩材料。

从这种材料在美国的发展历史来看，无论是材料的发明还是其早期的垄断应用，都与军事工业(海军等)直接相关。).虽然中国的军事和国防部门正在逐步加强对这一材料的了解。但是，中国综合国力明显增强后，实现21世纪军事竞争战略，提高装备水平的要求肯定会非常迫切。因此，军事和国防部门大量使用TB-Fe超磁致伸缩材料将是历史的必然。

总之，铽具有许多优异的性能，使其成为许多功能材料中不可或缺的一员，在一些应用领域具有不可替代的作用。但由于铽价格昂贵，人们一直在研究尽量少用铽，以降低生产成本。例如低成本的镝、铁、钴或钆、铽、钴也尽量作为稀土磁光材料；使用的绿色荧光粉中铽的含量也尽可能降低。价格已经成为制约铽大规模使用的重要因素。但是很多功能材料离不开它，所以我们不得不本着“好钢出刃”的原则，尽可能多地使用铽。

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