تعرف على استخدامات العناصر الأرضية النادرة في السيراميك الوظيفي!

السيراميك الوظيفي هو نوع جديد من السيراميك طُوّر لتصنيع أحدث التقنيات. ويُستخدم على نطاق واسع في تكنولوجيا الاستشعار، وعلوم الحاسوب، والهندسة الحيوية، وصناعة السيارات، وعلوم البيئة.

للمواد الأرضية النادرة تطبيقات واسعة النطاق في تحسين خصائص وأداء السيراميك الوظيفي. فهي تُحسّن السيراميك الوظيفي الذي يستجيب لتأثيرات الضوء والكهرباء والمغناطيسية والصوت والطاقة والحرارة.

ستساعدك هذه المقالة على فهم استخدامات العناصر الأرضية النادرة في السيراميك الوظيفي. لنبدأ.

العناصر الأرضية النادرة وأهميتها:

العناصر الأرضية النادرة (REE) هي 17 عنصرًا في الجدول الدوري، لها خصائص متشابهة. عناصر REE من الجدول الدوري هي:

1. اللانثانوم(لا)

2. سكانديوم (Sc)

3. السيريوم(Ce)

4. إتريوم(Y)

5. نيوديميوم(Nd)

6. ديسبروسيوم(Dy)

7. براسيوديميوم(Pr)

8. الساماريوم(Sm)

9. الغادولينيوم(Gd)

10. التربيوم (Tb)

11. اليوروبيوم(Eu)

12. ياتربيوم(Yb)

13. هولميوم (الاتحاد الأوروبي)

14. بروميثيوم(Pm)

15. اللوتيتيوم (Lu)

16. الإربيوم(Er)

17. الثوليوم(Tm)

تُعد هذه العناصر السبعة عشر جزءًا أساسيًا من مختلف الأجهزة التكنولوجية المتقدمة. تُستخدم عناصر العناصر الأرضية النادرة في تصنيع أكثر من 200 منتج متعدد الاستخدامات.

تُستخدم العناصر الأرضية النادرة على نطاق واسع في التصنيع:

• منتجات الإلكترونيات الاستهلاكية،

• أجهزة الكمبيوتر الشخصية،

• محركات الأقراص الصلبة،

• المركبات الكهربائية (EVs)،

• المركبات الهجينة،

• الهواتف الخلوية،

• أجهزة التلفاز،

• وشاشات العرض المسطحة، وما إلى ذلك.

كما أن للمواد الأرضية النادرة تطبيقات في تصنيع أجهزة أنظمة الدفاع، مثل أنظمة الرادار، وأنظمة السونار، وأنظمة التوجيه، والليزر، والشاشات الإلكترونية.

ومن الجدير بالذكر أن الكمية الإجمالية من المواد الأرضية النادرة المستخدمة في تلك المنتجات ليست كبيرة مقارنة بحجمها ووزنها وقيمتها، ولكنها ضرورية لعمل الجهاز.

على سبيل المثال، يتطلب تصنيع محركات المغزل وملفات الصوت الحاسوبية نسبةً أقل من العناصر الأرضية النادرة مقارنةً بأوزانها الإجمالية. ولكن لا يمكن تصنيع هذه العناصر بدونها.

تمتلك الصين حاليًا ما يقارب 60-70% من العناصر الأرضية النادرة في العالم. في مطلع عام 1990، أصبح إنتاج العناصر الأرضية النادرة وتوريدها وتصديرها قضية وطنية في الصين. بعد ذلك، بدأت الصين بتخفيض مبيعاتها من العناصر الأرضية النادرة إلى الخارج.

والآن، فرضت الصين قيوداً على صادراتها من سبع مواد أرضية نادرة، نظراً لاستخداماتها ومدى توفرها.

ما هي السيراميك الوظيفية؟

السيراميك الوظيفي هو أنواع سيراميكية طُوّرت لجودة فائقة تفوق السيراميك التقليدي والهيكلي. تُستخدم على نطاق واسع في أعمال الهندسة المغناطيسية والكهربائية والبصرية.

تتميز هذه المواد بتنوع كبير في بنيتها وتكوينها وخصائصها، ويمكن استخدامها في العديد من الأغراض التكنولوجية المتقدمة.

تتطلب عملية تحضير السيراميك الوظيفي نظام معالجة طويل بما في ذلك معالجة المواد الخام، والصياغة، والخلط والطحن، وإزالة الماء، والتوليف المسبق، والطحن، والتحبيب، والتشكيل، والتلبيد، والكهرباء.

تساعد طريقة المعالجة الدقيقة للسيراميك الوظيفي في الحفاظ على خصائصه، مثل المغناطيسية والكهربائية والحرارية والبصرية والضوئية والواجهة والميكانيكية والنقل والديناميكية الحرارية والكهربائية الحرارية والكهربائية الحديدية والحيوية والمتوافقة حيوياً والكهروكيميائية.

استخدام العناصر الأرضية النادرة في السيراميك الوظيفي:

العناصر الأرضية النادرة للسيراميك فائق التوصيل: السيراميك فائق التوصيل هو مواد سيراميكية تتميز بخصائص توصيل حراري عالية. هذه المواد خالية من المغناطيسية ومقاومة صفرية. يُعد LaSrCuO، وLaBaCuO، وYbCuO، وBaPbBi من أكثر أنواع السيراميك فائق التوصيل استخدامًا. تتكون هذه التركيبات من عناصر أرضية نادرة.

تزيد العناصر الأرضية النادرة من كثافة التيار الحرجة للسيراميك، وتعزز أدائه في المجالات المغناطيسية. تستطيع الموصلات الفائقة نقل الكهرباء دون فقدان الطاقة، كما أنها تصد المجالات المغناطيسية. وبالتالي، لا يمكن للمجال المغناطيسي أن يمر عبر الموصلات الفائقة.

تشمل القطاعات الرئيسية لاستخدام السيراميك الفائق الموصل أنظمة تنقية المياه، وتصنيع أجهزة الكمبيوتر العملاقة، وتصنيع القطارات المغناطيسية، وأنظمة نقل وتوزيع الطاقة.

العناصر الأرضية النادرة للسيراميك البصري: تُعدّ العناصر الأرضية النادرة جزءًا أساسيًا من السيراميك البصري. وهو نوع خاص من السيراميك الوظيفي، شفاف وينقل الضوء المرئي.

يتطلب إنتاج السيراميك الشفاف مواد نقية فائقة الدقة أو بلورات متساوية المحاور ذات محاور بلورية عالية الجودة. تُمثل هذه البلورات الطور الشفاف الرئيسي، وتُنتج بعملية تلبيد دقيقة مع كمية ثابتة من المواد المضافة المُعدّلة.

تعمل العناصر الأرضية النادرة على ضبط اللون والضوء وتقليل الحجم وزيادة كفاءة الطاقة للسيراميك البصري.

ومن أمثلة بعض السيراميك البصري المستخدم بانتظام: الألومينا، وثلاثي أكسيد الإيتريوم (Y2O3)، وسيراميك تيتانات الزركونيوم والرصاص اللانثانوم (PLZT)، والألومينا، وأكسيد الكالسيوم، والمغنيسيوم، وأكسيد الثوريوم (ThO2).

REES للسيراميك المغناطيسي: تتكون السيراميكات المغناطيسية من عنصر معدني واحد أو عدة عناصر. الحديد هو العنصر الرئيسي للسيراميكات المغناطيسية. سيراميك الفريت هو الاسم الشائع للسيراميكات المغناطيسية.

الفريت شبه موصل ذو مقاومة كهربائية أعلى من المعادن المغناطيسية التقليدية، وله خسارة صغيرة في التيار الدوامي.

يمكن تقسيم المواد الخزفية المغناطيسية إلى فئتين حسب استخدامها: المواد المغناطيسية اللينة والمواد المغناطيسية الصلبة. تتميز المواد المغناطيسية الصلبة بصعوبة مغنطتها وإزالة مغنطتها. تُستخدم هذه المواد في أجهزة التخزين المغناطيسية والمغناطيسات، وتتكون من مغناطيسات العناصر الأرضية النادرة ومغناطيسات الفريت.

على العكس من ذلك، فإن المواد المغناطيسية اللينة عرضة للمغناطيسية، ويمكن مغنطتها أو إزالة مغنطتها بسهولة. كما يمكن تغيير اتجاه التدفق المغناطيسي في هذه المواد. تُستخدم المواد المغناطيسية اللينة بشكل شائع في المكونات الإلكترونية التي تحتاج إلى التفاعل مع المجالات المغناطيسية المتغيرة.

هناك ثلاثة أنواع من السيراميك المغناطيسي بناءً على بنيته البلورية: الفريتات السداسية، والسبينيلات، وفيريتات الجارنيت. يُستخدم فيريت الجارنيت بشكل رئيسي في السيراميك الوظيفي، حيث يُستخدم في المجالات المغناطيسية عالية التردد نظرًا لمقاومته العالية وفقد الترددات العالية الضئيل جدًا.

العناصر الأرضية النادرة للسيراميك الكهرضغطي: السيراميك الكهرضغطي هو السيراميك الوظيفي الذي يتمتع بتأثير كهرضغطي. تُحسّن العناصر الأرضية النادرة أداء التلبيد، والخصائص الكهربائية، ومعامل الكهرضغطية لهذه السيراميك.

يشير التأثير الكهروضغطي إلى قدرة المادة على توليد شحنة كهربائية عند تعرضها لضغط ميكانيكي. للتأثير الكهروضغطي نوعان: موجب وسالب. عندما تُولد شحنة كهربائية بفعل الضغط، يُطلق عليه التأثير الكهروضغطي الموجب، وعندما يُولد الضغط بفعل الشحنة الكهربائية، يُطلق عليه التأثير الكهروضغطي السالب.

تُستخدم تيتانات زركونات الرصاص، وتيتانات الباريوم، وتيتانات الرصاص بشكل رئيسي في السيراميك الكهرضغطي. تُعرف هذه السيراميكات باسم سيراميك البيروفسكايت الكهرضغطي.

كما ذكرنا سابقًا، تحتوي معظم السيراميكات فائقة التوصيل على عناصر أرضية نادرة كمكون أساسي. على سبيل المثال، يتكون أكسيد النحاس والإتريوم والباريوم الفائق التوصيل (YBCO) من الإيتريوم، وهو عنصر أرضي نادر. يتميز ببنية بلورية متساوية المحاور، وصيغته الجزيئية M3(Fe5O12).

علاوة على ذلك، تُستخدم العناصر الأرضية النادرة أيضًا في السيراميك الوظيفي كمواد مضافة. عند إضافة بعض مواد الأرض النادرة إلى السيراميك الوظيفي، تتحسن قوته وكثافته وتماسكه بشكل كبير.

الأسئلة الشائعة:

ما هي المعادن الأرضية النادرة؟

المعادن الأرضية النادرة هي مجموعة مكونة من 17 عنصرًا، بما في ذلك 15 لانثانيدًا، والسكانديوم، والإتريوم.

تُستخدم على نطاق واسع في الإلكترونيات الاستهلاكية، والمعدات الطبية، والمركبات الكهربائية، وتكرير النفط، ومحركات الطائرات، والتطبيقات العسكرية، وأنظمة الرادار، والصواريخ.

ما هو أندر معدن في الكون؟

أندر معدن في الكون في حالته المستقرة هو التنتالوم. مع أن الفرانسيوم يُعتبر أندر المعادن، إلا أنه ليس له حالة مستقرة ولا استخدام.

ما هو أندر معدن في العالم؟ 

يعتبر اللانثانوم من أندر المعادن في العالم.

كيفية تعريف المعادن الأرضية النادرة؟

تُعرف المعادن الأرضية النادرة بأنها مجموعة من 17 عنصرًا نادرًا، 15 منها تُعرف باسم سلسلة اللانثانيدات في الجدول الدوري، والعنصران الآخران هما الإيتريوم والسكانديوم.

ما هو السبائك المعدنية النادرة؟

سبائك المعادن النادرة هي سبائك مصقولة مصنوعة من معادن نادرة، مثل البلاتين والبلاديوم والروديوم. وهي نادرة بطبيعتها، ولها تطبيقات صناعية متنوعة.

خاتمة:  للعناصر الأرضية النادرة استخدامات عديدة في السيراميك الوظيفي، كعناصر أساسية وكمكمل لتحسين الأداء. وقد أضافت بعض الخصائص الأساسية إلى هذه السيراميك.

إن استخدام المعادن الأرضية النادرة مع السيراميك الوظيفي جعلها عنصراً أساسياً في التقنيات المتقدمة الحديثة.