Functionele keramiek is een nieuw type keramiek dat is ontwikkeld voor de productie van geavanceerde technologieën. Het wordt veel gebruikt in sensortechnologie, computerwetenschappen, bio-engineering, de auto-industrie en milieuwetenschappen.
Zeldzame aardmetalen hebben enorme toepassingen in het verbeteren van de eigenschappen en prestaties van functionele keramiek. Zeldzame aardmetalen versterken de eigenschappen van functionele keramiek die reageren op licht, elektriciteit, magnetisme, geluid, kracht en warmte.
Dit artikel helpt je inzicht te krijgen in het gebruik van zeldzame aardmetalen in functionele keramiek. Laten we er eens in duiken.
Zeldzame aardmetalen en hun belang:
Zeldzame aardmetalen (REE) of zeldzame aarden zijn 17 elementen in het periodiek systeem met vergelijkbare eigenschappen. De REE-elementen uit het periodiek systeem zijn:
-
Lanthaan (La)
-
Scandium(Sc)
-
Cerium (Ce)
-
Yttrium(Y)
-
Neodymium (Nd)
-
Dysprosium (Dy)
-
Praseodymium (Pr)
-
Samarium(Sm)
-
Gadolinium (Gd)
-
Terbium (TB)
-
Europium(Eu)
-
Yatterbium(Yb)
-
Holmium(EU)
-
Promethium (Pm)
-
Lutetium (Lu)
-
Erbium(Er)
-
Thulium(Tm)
Deze 17 elementen vormen een cruciaal onderdeel van diverse geavanceerde technologische apparaten. REE-elementen worden gebruikt voor de productie van meer dan 200 producten met vele toepassingen.
REE's worden veel gebruikt in de productie:
-
consumentenelektronicaproducten,
-
persoonlijke computers,
-
harde schijven,
-
elektrische voertuigen (EV's),
-
hybride voertuigen,
-
mobiele telefoons,
-
televisies,
-
en flatscreen-monitoren, etc.
Zeldzame aardmetalen vinden ook toepassingen in de productie van defensiesystemen, zoals radarsystemen, sonarsystemen, geleidingssystemen, lasers en elektronische displays.
Het is belangrijk om te vermelden dat de totale hoeveelheid zeldzame aardmetalen die in deze producten wordt gebruikt, niet significant is in verhouding tot hun volume, gewicht en waarde, maar dat ze essentieel zijn voor de werking van het apparaat.
De productie van spindelmotoren en computerspreekspoelen vereist bijvoorbeeld een kleiner deel van de REE dan hun totale gewicht. Maar deze kunnen niet zonder geproduceerd worden.
China bezit momenteel bijna 60-70 procent van de zeldzame aardmetalen ter wereld. Begin 1990 werden de productie, levering en export van zeldzame aardmetalen een nationale aangelegenheid in China. Daarna begon China de verkoop van zeldzame aardmetalen vanuit China aan het buitenland te verminderen.
China heeft nu de export van zeven zeldzame aardmetalen beperkt vanwege hun toepassingen en beschikbaarheid.
Wat is functionele keramiek?
Functionele keramiek is een keramieksoort die is ontwikkeld voor superieure eigenschappen die verder gaan dan traditionele en structurele keramiek. Ze worden veel gebruikt in magnetische, elektrische en optische toepassingen.
Ze kennen een enorme diversiteit in structuur, samenstelling en eigenschappen en kunnen voor veel hightechdoeleinden worden gebruikt.
Voor de bereiding van functioneel keramiek is een langdurig proces nodig, met onder meer de volgende onderdelen: verwerking van de grondstoffen, formulering, mengen en malen, ontwateren, presynthese, frezen, granuleren, vormen, sinteren en elektroderen.
Deze rigoureuze verwerkingsmethode van functioneel keramiek zorgt ervoor dat de eigenschappen ervan behouden blijven. Hierbij valt te denken aan magnetische, elektrische, thermische, optische, foto-elektrische, grensvlak-, mechanische, transport-, thermodynamische, thermo-elektrische, ferro-elektrische, bioactieve, biocompatibele en elektrochemische eigenschappen.
Gebruik van zeldzame aardmetalen in functionele keramiek:
REE's voor supergeleidende keramiek: Supergeleidende keramiek is een keramisch materiaal met extreem hoge temperatuurgeleidingseigenschappen. Deze materialen hebben geen diamagnetisme en geen weerstand. LaSrCuO, LaBaCuO, YbCuO en BaPbBi behoren tot de meest gebruikte supergeleidende keramieksoorten. Deze samenstellingen bestaan uit zeldzame aardmetalen.
Zeldzame aardmetalen verhogen de kritische stroomdichtheid van keramiek en verbeteren hun prestaties in magnetische velden. Supergeleiders kunnen elektriciteit transporteren zonder energieverlies en magnetische velden afstoten. Het magnetische veld kan dus niet door de supergeleiders heen.
De belangrijkste sectoren waarin supergeleidende keramiek wordt gebruikt, zijn waterzuiveringssystemen, de productie van supercomputers, de productie van magneetzweeftreinen en energietransmissie- en distributiesystemen.
REE's voor optische keramiek: Zeldzame aardmetalen zijn een essentieel onderdeel van optische keramiek. Optische keramiek is een speciaal functioneel keramiektype dat transparant is en zichtbaar licht doorlaat.
Voor de productie van transparant keramiek zijn zuivere ultrafijne materialen of equiaxiale kristallen met hoogwaardige kristalassen nodig. Dit kristal vormt de belangrijkste transparante fase en wordt geproduceerd in een strikt onderhouden sinterproces met een vaste hoeveelheid modificerende additieven.
Zeldzame aardmetalen passen de kleur en het licht aan, minimaliseren de grootte en verhogen de energie-efficiëntie van optische keramiek.
Voorbeelden van regelmatig gebruikte optische keramiek zijn aluminiumoxide, yttriumtrioxide (Y2O3), loodlanthaanzirconaattitanaatkeramiek (PLZT), aluminiumoxide, calciumoxide, magnesiumoxide en thoriumoxide (ThO2).
REES voor magnetische keramiek: Magnetische keramiek bestaat uit één of meerdere metaalelementen. De belangrijkste elementen van magnetische keramiek zijn ijzer. Ferrietkeramiek is een populaire naam voor magnetische keramiek.
Ferriet is een halfgeleider met een hogere soortelijke weerstand dan conventionele magnetische metalen. Het heeft een klein wervelstroomverlies.
Magnetische keramische materialen kunnen worden onderverdeeld in twee categorieën, afhankelijk van hun gebruik: zachtmagnetische en hardmagnetische materialen. Hardmagnetische materialen zijn zeer moeilijk te magnetiseren en te demagnetiseren. Ze worden gebruikt in magnetische opslagmedia en magneten, en bestaan uit zeldzame-aardemagneten en ferrietmagneten.
Zachtmagnetische materialen daarentegen zijn gevoelig voor magnetisatie en kunnen gemakkelijk worden gemagnetiseerd of gedemagnetiseerd. De richting van de magnetische flux in die zachte materialen kan ook worden veranderd. Zachtmagnetische materialen worden vaak gebruikt in elektronische componenten die moeten reageren op veranderende magnetische velden.
Er zijn drie soorten magnetische keramiek op basis van hun kristalstructuur: hexagonale ferrieten, spinellen en granaatferrieten. Granaatferriet wordt vooral gebruikt in functionele keramiek. Het wordt gebruikt in extreem frequente magnetische velden vanwege de hoge soortelijke weerstand en het zeer geringe hoogfrequente verlies.
REE's voor piëzo-elektrische keramiek: Piëzo-elektrische keramiek is de functionele keramiek met een piëzo-elektrisch effect. Zeldzame aardmetalen verbeteren de sinterprestaties, elektrische eigenschappen en piëzo-elektrische coëfficiënt van deze keramiek.
Het piëzo-elektrische effect verwijst naar het vermogen van een materiaal om een elektrische lading te creëren wanneer er mechanische spanning op wordt uitgeoefend. Het piëzo-elektrische effect bestaat in twee vormen: positief en negatief. Wanneer een elektrische lading wordt gecreëerd door de spanning, wordt dit het positieve piëzo-elektrische effect genoemd, en wanneer spanning wordt gegenereerd door de elektrische lading, wordt dit het negatieve piëzo-elektrische effect genoemd.
Loodzirconaattitanaat, bariumtitanaat en loodtitanaat worden voornamelijk gebruikt als piëzo-elektrische keramiek. Ze staan bekend als perovskiet-type piëzo-elektrische keramiek.
Zoals we hierboven hebben besproken, hebben de meeste supergeleidende keramische materialen zeldzame aardmetalen (REE's) als basisingrediënt. Zo bestaat supergeleidend oxidekeramiek, yttrium-barium-koperoxide (YBCO), uit yttrium, een zeldzame-aarde-element. Het heeft een equiaxiale kristalstructuur met de molecuulformule M3(Fe5O12).
Bovendien worden zeldzame aardmetalen ook als additieven gebruikt in functionele keramiek. Wanneer zeldzame aardmetalen aan functionele keramiek worden toegevoegd, worden hun sterkte, dichtheid en cohesie aanzienlijk verbeterd.
Veelgestelde vragen:
Wat zijn zeldzame aardmetalen?
Zeldzame aardmetalen bestaan uit 17 elementen, waaronder 15 lanthaniden, scandium en yttrium.
Ze worden veel gebruikt in consumentenelektronica, medische apparatuur, elektrische voertuigen, olieraffinaderijen, vliegtuigmotoren, militaire toepassingen, radarsystemen en raketten.
Wat is het zeldzaamste metaal in het heelal?
Het zeldzaamste metaal in het heelal in stabiele toestand is tantaal. Hoewel francium als het zeldzaamste metaal wordt beschouwd, heeft het geen stabiele toestand of functie.
Wat is het zeldzaamste metaal ter wereld?
Lanthaan wordt beschouwd als het zeldzaamste metaal ter wereld.
Hoe definieer je zeldzame aardmetalen?
Zeldzame aardmetalen worden gedefinieerd als een groep van 17 zeldzame elementen, waarvan er 15 bekend staan als de lanthanidenreeks in het periodiek systeem, de andere twee zijn yttrium en scandium.
Wat zijn zeldzame metalen?
Zeldzame metalen zijn de geraffineerde staven gemaakt van zeldzame metalen zoals platina, palladium en rhodium. Ze zijn zeldzaam van aard en hebben diverse industriële toepassingen.
Conclusie: Zeldzame aardmetalen hebben vele toepassingen in functionele keramiek, zowel als basiselement als als aanvulling op de prestaties. Ze hebben een aantal belangrijke eigenschappen aan die keramiek toegevoegd.
Door het gebruik van zeldzame aardmineralen met functionele keramiek zijn ze een essentieel onderdeel geworden van moderne, geavanceerde technologieën.