Функциональная керамика — это новый тип керамики, разработанный для производства передовых технологий. Она широко применяется в сенсорных технологиях, информатике, биоинженерии, автомобильной промышленности и науках об окружающей среде.
Редкоземельные материалы находят широкое применение в улучшении характеристик и эксплуатационных характеристик функциональной керамики. Редкоземельные элементы улучшают свойства функциональной керамики, реагирующей на свет, электричество, магнетизм, звук, энергию и тепло.
Эта статья поможет вам разобраться в применении редкоземельных элементов в функциональной керамике. Давайте разберёмся.
Редкоземельные элементы и их значение:
Редкоземельные элементы (РЗЭ) — это 17 элементов периодической системы со схожими свойствами. К РЗЭ из периодической системы относятся:
-
Лантан (La)
-
Скандий(Sc)
-
Церий(Ce)
-
Иттрий(Y)
-
Неодим (Nd)
-
Диспрозий (Dy)
-
Празеодим (Pr)
-
Самарий(Sm)
-
Гадолиний (Gd)
-
Тербий (Tb)
-
Европий (Eu)
-
Яттербий (Yb)
-
Гольмий(ЕС)
-
Прометий(Pm)
-
Лютеций(Lu)
-
Эрбий(Er)
-
Тулий(Tm)
Эти 17 элементов являются важнейшей частью различных передовых технологических устройств. Элементы РЗЭ используются для производства более 200 видов продукции с широким спектром применения.
РЗЭ широко используются в производстве:
-
товары бытовой электроники,
-
персональные компьютеры,
-
жесткие диски,
-
электромобили (ЭМ),
-
гибридные автомобили,
-
сотовые телефоны,
-
телевизоры,
-
и мониторы с плоским экраном и т. д.
Редкоземельные материалы также находят применение в производстве приборов оборонных систем, таких как радиолокационные системы, гидроакустические системы, системы наведения, лазеры и электронные дисплеи.
Стоит отметить, что общее количество редкоземельных материалов, используемых в этих изделиях, не имеет существенного значения по сравнению с их объемом, весом и стоимостью, но имеет решающее значение для функционирования устройства.
Например, для производства шпиндельных двигателей и компьютерных звуковых катушек требуется доля РЗЭ, меньшая, чем их общая масса. Но без них их производство невозможно.
В настоящее время на долю Китая приходится почти 60–70% мировых запасов редкоземельных элементов. В начале 1990-х годов производство, поставка и экспорт редкоземельных элементов стали для Китая национальной проблемой. После этого Китай начал сокращать объёмы продажи редкоземельных элементов за рубеж.
В настоящее время Китай ограничил экспорт семи редкоземельных материалов, принимая во внимание их области применения и доступность.
Что такое функциональная керамика?
Функциональная керамика — это вид керамики, разработанный для достижения превосходных характеристик по сравнению с традиционной и конструкционной керамикой. Она широко используется в магнито-, электро- и оптотехнике.
Они обладают огромным разнообразием структуры, состава и свойств. Их можно использовать во многих высокотехнологичных целях.
Изготовление функциональной керамики требует длительной технологической системы, включающей обработку сырья, приготовление рецептуры, смешивание и измельчение, обезвоживание, предварительный синтез, измельчение, грануляцию, формование, спекание и электроосаждение.
Этот строгий метод обработки функциональной керамики помогает сохранить ее свойства, такие как магнитные, электрические, термические, оптические, фотоэлектрические, интерфейсные, механические, транспортные, термодинамические, термоэлектрические, сегнетоэлектрические, биоактивные, биосовместимые и электрохимические.
Использование редкоземельных элементов в функциональной керамике:
РЗЭ для сверхпроводящей керамики: Сверхпроводящая керамика — это керамические материалы, обладающие экстремальными температурными свойствами. Эти материалы не обладают диамагнетизмом и нулевым сопротивлением. LaSrCuO, LaBaCuO, YbCuO и BaPbBi — одни из наиболее часто используемых сверхпроводящих керамик. Эти составы содержат редкоземельные элементы.
Редкоземельные элементы увеличивают критическую плотность тока керамики и улучшают её характеристики в магнитных полях. Сверхпроводники способны проводить электричество без потерь энергии и отталкивать магнитные поля. Следовательно, магнитное поле не может пройти сквозь сверхпроводники.
Основные сферы применения сверхпроводящей керамики включают системы очистки воды, производство суперкомпьютеров, производство поездов на магнитной подвеске, а также системы передачи и распределения электроэнергии.
РЗЭ для оптической керамики: Редкоземельные элементы являются неотъемлемой частью оптической керамики. Оптическая керамика — это особый тип функциональной керамики, прозрачный и пропускающий видимый свет.
Для производства прозрачной керамики требуются чистые ультрадисперсные материалы или равноосные кристаллы с высококачественными осями. Этот кристалл является основной прозрачной фазой и производится в строго контролируемом процессе спекания с фиксированным количеством модифицирующих добавок.
Редкоземельные элементы регулируют цвет, свет, уменьшают размер и повышают энергоэффективность оптической керамики.
Примерами регулярно используемых оптических керамик являются оксид алюминия, триоксид иттрия (Y2O3), цирконат-титанат свинца-лантана (PLZT), оксид алюминия, оксид кальция, оксид магния и оксид тория (ThO2).
REES для магнитной керамики: Магнитная керамика состоит из одного или нескольких металлических элементов. Основным элементом магнитной керамики является железо. Ферритовая керамика – популярное название магнитной керамики.
Феррит — полупроводник с более высоким удельным сопротивлением, чем обычные магнитные металлы. Он имеет небольшие потери на вихревые токи.
Магнитно-керамические материалы можно разделить на две категории по области применения: магнитомягкие и магнитожёсткие. Магнитожёсткие материалы очень трудно намагничивать и размагничивать. Они применяются в магнитных запоминающих устройствах и магнитах и состоят из редкоземельных и ферритовых магнитов.
Магнитомягкие материалы, напротив, склонны к намагничиванию и легко намагничиваются или размагничиваются. Направление магнитного потока в этих материалах также можно изменять. Магнитомягкие материалы широко используются в электронных компонентах, которые должны реагировать на изменяющиеся магнитные поля.
В зависимости от кристаллической структуры магнитную керамику разделяют на три типа: гексагональные ферриты, шпинели и ферриты-гранаты. Ферриты-гранаты чаще всего используются в функциональной керамике. Они применяются в магнитных полях экстремальных частот благодаря высокому сопротивлению и очень малым высокочастотным потерям.
РЗЭ для пьезокерамики: Пьезоэлектрическая керамика — это функциональная керамика, обладающая пьезоэлектрическим эффектом. Редкоземельные элементы улучшают спекаемость, электрические свойства и пьезоэлектрический коэффициент этой керамики.
Пьезоэлектрический эффект — это способность материала создавать электрический заряд при приложении к нему механического напряжения. Пьезоэлектрический эффект бывает двух видов: положительный и отрицательный. Когда электрический заряд создаётся напряжением, это называется положительным пьезоэлектрическим эффектом, а когда напряжение создаётся электрическим зарядом, это называется отрицательным пьезоэлектрическим эффектом.
Цирконат-титанат свинца, титанат бария и титанат свинца используются преимущественно в качестве пьезокерамики. Они известны как пьезокерамика перовскитного типа.
Как мы уже обсуждали выше, большинство сверхпроводящих керамик содержат в качестве основного компонента редкоземельные элементы. Например, сверхпроводящая оксидная керамика на основе оксида иттрия-бария-меди (YBCO) состоит из иттрия и редкоземельных элементов. Она имеет равноосную кристаллическую структуру с молекулярной формулой M3(Fe5O12).
Кроме того, редкоземельные элементы используются в качестве добавок в функциональной керамике. Добавление некоторых редкоземельных материалов в функциональную керамику значительно улучшает её прочность, плотность и сцепление.
Часто задаваемые вопросы:
Что такое редкоземельные металлы?
Редкоземельные металлы представляют собой группу из 17 элементов, включая 15 лантаноидов, скандий и иттрий.
Они широко используются в бытовой электронике, медицинском оборудовании, электромобилях, нефтепереработке, авиационных двигателях, военных приложениях, радиолокационных системах и ракетах.
Какой металл самый редкий во Вселенной?
Самый редкий металл во Вселенной в стабильном состоянии — тантал. Хотя франций считается самым редким металлом, у него нет стабильного состояния и применения.
Какой металл самый редкий в мире?
Лантан считается самым редким металлом в мире.
Как определить редкоземельные металлы?
Редкоземельные металлы определяются как группа из 17 редких элементов, 15 из которых известны как ряд лантаноидов в периодической таблице, а два других — это иттрий и скандий.
Что такое слитки редких металлов?
Слитки редких металлов — это очищенные слитки из редких металлов, таких как платина, палладий и родий. Они встречаются в природе редко и находят разнообразное применение в промышленности.
Заключение: Редкоземельные элементы широко применяются в функциональной керамике в качестве основных элементов и добавок для повышения эксплуатационных характеристик. Они придают керамике ряд ценных свойств.
Использование редкоземельных минералов в функциональной керамике сделало их важнейшим элементом современных передовых технологий.