Ceramika funkcjonalna to nowy rodzaj ceramiki opracowany z myślą o produkcji najnowocześniejszych technologii. Jest szeroko stosowana w technologii czujników, informatyce, bioinżynierii, przemyśle motoryzacyjnym i naukach o środowisku.
Pierwiastki ziem rzadkich mają ogromne zastosowanie w poprawie właściwości i wydajności ceramiki funkcjonalnej. Pierwiastki ziem rzadkich wzmacniają ceramikę funkcjonalną, która reaguje na światło, elektryczność, magnetyzm, dźwięk, energię i ciepło.
Ten artykuł pomoże Ci zrozumieć zastosowanie pierwiastków ziem rzadkich w ceramice funkcjonalnej. Zanurzmy się w temat.
Pierwiastki ziem rzadkich i ich znaczenie:
Pierwiastki ziem rzadkich (REE) to 17 pierwiastków z układu okresowego o podobnych właściwościach. Pierwiastki REE z układu okresowego to:
-
Lantan (La)
-
Skand(Sc)
-
Cer(Ce)
-
Itr(Y)
-
Neodym (Nd)
-
Dysproz (Dy)
-
Prazeodym (Pr)
-
Samar(Sm)
-
Gadolin (Gd)
-
Terb (Tb)
-
Europ(Eu)
-
Yatterb (Yb)
-
Holm(UE)
-
Promet (Pm)
-
Lutet (Lu)
-
Erb (Er)
-
Tul(Tm)
Te 17 pierwiastków stanowi kluczowy element różnorodnych zaawansowanych technologicznie urządzeń. Pierwiastki ziem rzadkich (REE) są wykorzystywane do produkcji ponad 200 produktów o szerokim zastosowaniu.
Pierwiastki ziem rzadkich są powszechnie stosowane w produkcji:
-
produkty elektroniki użytkowej,
-
komputery osobiste,
-
dyski twarde,
-
pojazdy elektryczne (EV),
-
pojazdy hybrydowe,
-
telefony komórkowe,
-
telewizory,
-
i monitorów z płaskim ekranem itp.
Metale ziem rzadkich znajdują również zastosowanie w produkcji urządzeń obronnych, takich jak systemy radarowe, systemy sonarowe, systemy naprowadzania, lasery i wyświetlacze elektroniczne.
Warto wspomnieć, że łączna ilość pierwiastków ziem rzadkich użytych w tych produktach nie jest znacząca w porównaniu z ich objętością, wagą i wartością, jest jednak niezbędna do funkcjonowania urządzenia.
Na przykład, produkcja silników wrzecionowych i cewek drgających do komputerów wymaga mniejszej części pierwiastków ziem rzadkich niż ich całkowita masa. Jednak nie da się ich wyprodukować bez nich.
Chiny posiadają obecnie prawie 60-70 procent światowych zasobów pierwiastków ziem rzadkich. Na początku lat 90. produkcja, dostawy i eksport pierwiastków ziem rzadkich stały się w Chinach kwestią narodową. Następnie Chiny zaczęły ograniczać sprzedaż pierwiastków ziem rzadkich za granicę.
Obecnie Chiny wprowadziły ograniczenia eksportu siedmiu pierwiastków ziem rzadkich, biorąc pod uwagę ich zastosowania i dostępność.
Czym jest ceramika funkcjonalna?
Ceramika funkcjonalna to rodzaj ceramiki opracowany w celu uzyskania właściwości przewyższających ceramikę tradycyjną i konstrukcyjną. Jest szeroko stosowana w inżynierii magnetycznej, elektrycznej i optycznej.
Charakteryzują się ogromną różnorodnością pod względem struktury, składu i właściwości. Mogą być wykorzystywane do wielu zaawansowanych technologicznie celów.
Przygotowanie funkcjonalnej ceramiki wymaga długotrwałego procesu przetwarzania, obejmującego obróbkę surowców, formulację, mieszanie i mielenie, odwadnianie, wstępną syntezę, mielenie, granulację, kształtowanie, spiekanie i elektrodowanie.
Ta rygorystyczna metoda przetwarzania ceramiki funkcjonalnej pomaga zachować jej właściwości magnetyczne, elektryczne, termiczne, optyczne, fotoelektryczne, interfejsowe, mechaniczne, transportowe, termodynamiczne, termoelektryczne, ferroelektryczne, bioaktywne, biozgodne i elektrochemiczne.
Zastosowanie pierwiastków ziem rzadkich w ceramice funkcjonalnej:
Pierwiastki ziem rzadkich dla ceramiki nadprzewodzącej: Ceramika nadprzewodząca to materiał ceramiczny wykazujący ekstremalne właściwości przewodzenia temperatury. Materiały te nie wykazują diamagnetyzmu i zerowej rezystancji. LaSrCuO, LaBaCuO, YbCuO i BaPbBi to jedne z najczęściej stosowanych materiałów ceramicznych nadprzewodzących. Skład tych materiałów składa się z pierwiastków ziem rzadkich.
Pierwiastki ziem rzadkich zwiększają krytyczną gęstość prądu ceramiki i poprawiają jej wydajność w polach magnetycznych. Nadprzewodniki mogą przenosić prąd elektryczny bez utraty energii i odpychać pola magnetyczne. W związku z tym pole magnetyczne nie może przejść przez nadprzewodniki.
Główne sektory zastosowań ceramiki nadprzewodzącej obejmują systemy oczyszczania wody, produkcję superkomputerów, produkcję pociągów na poduszce magnetycznej oraz systemy przesyłu i dystrybucji energii.
Pierwiastki ziem rzadkich dla ceramiki optycznej: Pierwiastki ziem rzadkich są niezbędnym składnikiem ceramiki optycznej. Ceramika optyczna to specjalny rodzaj ceramiki funkcjonalnej, która jest przezroczysta i może przepuszczać światło widzialne.
Produkcja ceramiki transparentnej wymaga czystych, ultradrobnych materiałów lub kryształów równoosiowych z wysokiej jakości osiami kryształu. Kryształ ten stanowi główną fazę transparentną i jest wytwarzany w rygorystycznie kontrolowanym procesie spiekania z ustaloną ilością dodatków modyfikujących.
Pierwiastki ziem rzadkich zmieniają kolor i światło, minimalizują rozmiar i zwiększają efektywność energetyczną ceramiki optycznej.
Przykładami powszechnie stosowanych materiałów ceramicznych do optyki są: tlenek glinu, tlenek itru (Y2O3), ceramika cyrkonianowo-ołowiowo-lantano-tytanowa (PLZT), tlenek glinu, tlenek wapnia, tlenek magnezu i tlenek toru (ThO2).
REES dla ceramiki magnetycznej: Ceramika magnetyczna składa się z jednego lub wielu elementów metalowych. Głównymi elementami ceramiki magnetycznej jest żelazo. Ceramika ferrytowa to popularna nazwa ceramiki magnetycznej.
Ferryt jest półprzewodnikiem o wyższej rezystywności niż konwencjonalne metale magnetyczne. Charakteryzuje się niewielkimi stratami na prądy wirowe.
Materiały ceramiczne magnetyczne można podzielić na dwie kategorie w zależności od zastosowania, tj. materiały magnetycznie miękkie i magnetycznie twarde. Materiały magnetycznie twarde są bardzo trudne do namagnesowania i rozmagnesowania. Znajdują zastosowanie w magnetycznych urządzeniach magazynujących i magnesach, a składają się z magnesów ziem rzadkich i ferrytowych.
Z kolei materiały magnetycznie miękkie są podatne na namagnesowanie i można je łatwo namagnesować lub rozmagnesować. Kierunek strumienia magnetycznego w tych miękkich materiałach również może ulec zmianie. Materiały magnetycznie miękkie są powszechnie stosowane w podzespołach elektronicznych, które muszą reagować na zmienne pola magnetyczne.
Istnieją trzy rodzaje ceramiki magnetycznej w zależności od jej struktury krystalicznej: ferryty heksagonalne, spinele i ferryty granatowe. Ferryt granatowy jest stosowany głównie w ceramice funkcjonalnej. Jest stosowany w polach magnetycznych o ekstremalnych częstotliwościach ze względu na wysoką rezystywność i bardzo małe straty wysokoczęstotliwościowe.
Pierwiastki ziem rzadkich dla ceramiki piezoelektrycznej: Ceramika piezoelektryczna to ceramika funkcjonalna, która wykazuje efekt piezoelektryczny. Pierwiastki ziem rzadkich poprawiają właściwości spiekania, właściwości elektryczne i współczynnik piezoelektryczny tej ceramiki.
Efekt piezoelektryczny odnosi się do zdolności materiału do wytwarzania ładunku elektrycznego pod wpływem naprężenia mechanicznego. Efekt piezoelektryczny występuje w dwóch postaciach: dodatniej i ujemnej. Gdy ładunek elektryczny powstaje pod wpływem naprężenia, nazywa się to dodatnim efektem piezoelektrycznym, a gdy naprężenie jest generowane przez ładunek elektryczny, nazywa się to ujemnym efektem piezoelektrycznym.
Cyrkonian-tytanian ołowiu, tytanian baru i tytanian ołowiu są stosowane głównie jako ceramika piezoelektryczna. Są one znane jako ceramika piezoelektryczna typu perowskitu.
Jak omówiliśmy powyżej, większość nadprzewodzących materiałów ceramicznych zawiera pierwiastki ziem rzadkich (REE) jako podstawowy składnik. Na przykład nadprzewodząca ceramika tlenkowa, tlenek itrowo-barowo-miedziowy (YBCO), składa się z itru, pierwiastków ziem rzadkich. Ma ona równoosiową strukturę krystaliczną o wzorze sumarycznym M3(Fe5O12).
Co więcej, pierwiastki ziem rzadkich są również stosowane w ceramice funkcjonalnej jako dodatki. Dodanie niektórych pierwiastków ziem rzadkich do ceramiki funkcjonalnej znacznie poprawia jej wytrzymałość, gęstość i spoistość.
Często zadawane pytania:
Czym są metale ziem rzadkich?
Metale ziem rzadkich składają się z 17 pierwiastków, w tym 15 lantanowców, skandu i itru.
Są one powszechnie stosowane w elektronice użytkowej, sprzęcie medycznym, pojazdach elektrycznych, rafineriach ropy naftowej, silnikach lotniczych, zastosowaniach wojskowych, systemach radarowych i pociskach rakietowych.
Który metal jest najrzadszy we wszechświecie?
Najrzadszym metalem we wszechświecie w stanie stabilnym jest tantal. Chociaż frans jest uważany za najrzadszy metal, nie ma on stanu stabilnego ani zastosowania.
Który metal jest najrzadszy na świecie?
Lantan uważany jest za najrzadszy metal na świecie.
Jak zdefiniować metale ziem rzadkich?
Metale ziem rzadkich definiuje się jako grupę 17 rzadkich pierwiastków, z których 15 to pierwiastki z szeregu lantanowców w układzie okresowym, a pozostałe dwa to itr i skand.
Czym jest sztabka rzadkiego metalu?
Sztabki metali rzadkich to rafinowane sztabki wykonane z rzadkich metali, takich jak platyna, pallad i rod. Występują rzadko w naturze i mają różnorodne zastosowania w przemyśle.
Wniosek: Pierwiastki ziem rzadkich mają wiele zastosowań w ceramice funkcjonalnej, jako jej podstawowe składniki i dodatki zwiększające wydajność. Nadały tej ceramice kilka doskonałych właściwości.
Zastosowanie metali ziem rzadkich w połączeniu z ceramiką funkcjonalną uczyniło z nich niezbędny element nowoczesnych, zaawansowanych technologii.