機能性セラミックスは、最先端技術の製造のために開発された新しいタイプのセラミックです。センシング技術、コンピュータサイエンス、バイオエンジニアリング、自動車産業、環境科学など、幅広い分野で利用されています。
希土類材料は、機能性セラミックスの特性と性能を向上させる上で幅広い用途を持っています。希土類は、光、電気、磁気、音、電力、熱などの効果に反応する機能性セラミックスの特性を向上させます。
この記事は、機能性セラミックスにおける希土類元素の用途を理解するのに役立ちます。早速見ていきましょう。
希土類元素とその重要性：
希土類元素（REE）は、周期表に載っている17個の元素で、類似した性質を持っています。周期表のREE元素は以下のとおりです。
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ランタン(La)
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スカンジウム(Sc)
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セリウム(Ce)
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イットリウム(Y)
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ネオジム(Nd)
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ジスプロシウム(Dy)
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プラセオジム(Pr)
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サマリウム(Sm)
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ガドリニウム(Gd)
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テルビウム（Tb）
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ユーロピウム(Eu)
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ヤッテルビウム(Yb)
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ホルミウム(EU)
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プロメチウム(Pm)
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ルテチウム(Lu)
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エルビウム(Er)
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ツリウム(Tm)
これら17元素は、様々な先端技術機器の重要な構成要素です。REE元素は、様々な用途を持つ200種類以上の製品の製造に使用されています。
REE は製造業で広く使用されています。
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家電製品、
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パソコン、
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ハードドライブ、
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電気自動車（EV）
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ハイブリッド車、
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携帯電話、
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テレビ、
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フラットスクリーンモニターなど。
希土類材料は、レーダー システム、ソナー システム、誘導システム、レーザー、電子ディスプレイなどの防衛システム機器の製造にも応用されています。
これらの製品に使用されている希土類材料の総量は、その体積、重量、価値に比べればそれほど大きくありませんが、デバイスの機能には不可欠であることは言及する価値があります。
例えば、スピンドルモーターやコンピューターのボイスコイルの製造には、総重量に比べて少量のREEが必要です。しかし、REEなしではこれらの製品を製造することはできません。
中国は現在、世界の希土類元素の約60～70%を保有しています。1990年代初頭、希土類元素の生産、供給、輸出は中国における国家的な課題となりました。その後、中国は中国から海外への希土類元素の販売量を削減し始めました。
現在、中国は用途と入手可能性を考慮して、7種類の希土類物質の輸出を制限している。
機能性セラミックスとは？
機能性セラミックスは、従来のセラミックスや構造用セラミックスを超える優れた特性を求めて開発されたセラミックスです。磁気、電気、光学工学の分野で広く利用されています。
構造、組成、特性において多様性に富み、様々なハイテク用途に活用できます。
機能性セラミックの製造には、原材料の処理、配合、混合および粉砕、脱水、予備合成、粉砕、造粒、成形、焼結、電極処理を含む長い処理システムが必要です。
機能性セラミックのこの厳密な処理方法は、磁気、電気、熱、光学、光電、界面、機械、輸送、熱力学、熱電、強誘電、生体活性、生体適合性、電気化学などの特性を維持するのに役立ちます。
機能性セラミックスにおける希土類元素の利用：
超伝導セラミックス用のREE： 超伝導セラミックスは、極めて高い熱伝導特性を示すセラミック材料です。これらの材料は反磁性がなく、抵抗はゼロです。LaSrCuO、LaBaCuO、YbCuO、BaPbBiは、最も広く使用されている超伝導セラミックスの一部です。これらの組成は希土類元素で構成されています。
希土類元素はセラミックスの臨界電流密度を高め、磁場中での性能を向上させます。超伝導体はエネルギーを失うことなく電気を運び、磁場をはじくことができます。そのため、磁場は超伝導体を通過できません。
超伝導セラミックの主な用途としては、浄水システム、スーパーコンピュータ製造、磁気浮上式鉄道製造、電力送配電システムなどがあります。
光学セラミックス用のREE: 希土類元素は光学セラミックスの必須成分です。光学セラミックスは、透明で可視光を透過する特殊な機能性セラミックスです。
透明セラミックスの製造には、純粋な超微細材料、または高品質の結晶軸を持つ等軸結晶が必要です。この結晶は主要な透明相であり、一定量の改質添加剤を用いて厳密に管理された焼結プロセスによって製造されます。
希土類元素は光学セラミックスの色や光を調整し、サイズを最小限に抑え、エネルギー効率を高めます。
一般的に使用される光学セラミックの例としては、アルミナ、三酸化イットリウム (Y2O3)、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛セラミック (PLZT)、アルミナ、酸化カルシウム、マグネシア、酸化トリウム (ThO2) などがあります。
磁性セラミックス用REES: 磁性セラミックは、単一または複数の金属元素で構成されています。磁性セラミックの主成分は鉄です。フェライトセラミックは、磁性セラミックの一般的な名称です。
フェライトは、従来の磁性金属よりも高い抵抗率を持つ半導体であり、渦電流損失が小さいという特徴があります。
磁性セラミック材料は、用途によって軟磁性材料と硬磁性材料の2種類に分けられます。硬磁性材料は、磁化・消磁が非常に困難です。磁気記憶装置や磁石などに応用され、希土類磁石とフェライト磁石で構成されています。
一方、軟磁性材料は磁化しやすく、容易に磁化または消磁できます。また、これらの軟磁性材料では磁束の方向を変えることも可能です。軟磁性材料は、変化する磁場に反応する必要がある電子部品に広く使用されています。
磁性セラミックには、結晶構造に基づいて、六方晶フェライト、スピネル、ガーネットフェライトの3種類があります。ガーネットフェライトは主に機能性セラミックに用いられ、高い抵抗率と極めて小さい高周波損失により、超高周波磁場で使用されます。
圧電セラミックス用のREE： 圧電セラミックスは、圧電効果を有する機能性セラミックスです。希土類元素は、これらのセラミックスの焼結性、電気特性、圧電係数を向上させます。
圧電効果とは、物質に機械的応力が加わった際に電荷を発生する能力を指します。圧電効果には正と負の2種類があります。応力によって電荷が発生する場合は正圧電効果、応力によって電荷が発生する場合は負圧電効果と呼ばれます。
チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウム、チタン酸鉛は、主に圧電セラミックスとして用いられます。これらはペロブスカイト型圧電セラミックスとして知られています。
前述の通り、超伝導セラミックスのほとんどは希土類元素（REE）を基本成分としています。例えば、超伝導酸化物セラミックスであるイットリウム・バリウム・銅酸化物（YBCO）は、イットリウムと希土類元素から構成されており、等軸結晶構造を有し、分子式はM3(Fe5O12)です。
さらに、希土類元素は機能性セラミックスの添加剤としても利用されています。機能性セラミックスに希土類元素を添加すると、強度、密度、凝集性が大幅に向上します。
よくある質問:
希土類金属とは何ですか?
希土類金属は、15 種類のランタノイド、スカンジウム、イットリウムを含む 17 種類の元素の総称です。
これらは、民生用電子機器、医療機器、電気自動車 (EV)、石油精製、航空機エンジン、軍事用途、レーダー システム、ミサイルなどに幅広く使用されています。
宇宙で最も希少な金属は何ですか?
安定した状態にある宇宙で最も希少な金属はタンタルです。フランシウムは最も希少な金属と考えられていますが、安定した状態や用途はありません。
世界で最も希少な金属は何ですか?
ランタンは世界で最も希少な金属と考えられています。
希土類金属をどのように定義するのでしょうか?
希土類金属は 17 個の希少元素のグループとして定義され、そのうち 15 個は周期表のランタノイド系列として知られ、残りの 2 個はイットリウムとスカンジウムです。
レアメタル地金とは何ですか？
レアメタル地金とは、プラチナ、パラジウム、ロジウムといった希少金属から精錬された地金のことです。希少性が高く、様々な産業分野で利用されています。
結論： 希土類元素は、機能性セラミックスの基本元素として、また性能向上のための補助元素として、多岐にわたり利用されています。希土類元素は、これらのセラミックスに優れた特性を付加しています。
機能性セラミックスに希土類鉱物を使用することで、それらは現代の先端技術に不可欠な要素となっています。