Fonksiyonel seramikler, ileri teknolojiler üretmek için geliştirilen yeni bir seramik türüdür. Algılama teknolojisi, bilgisayar bilimi, biyomühendislik, otomotiv endüstrisi ve çevre bilimlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır.
Nadir toprak elementleri, fonksiyonel seramiklerin özelliklerini ve performansını iyileştirmede büyük uygulamalara sahiptir. Nadir toprak elementleri, ışığa, elektriğe, manyetizma, sese, güce ve ısı etkilerine tepki veren fonksiyonel seramikleri güçlendirir.
Bu makale, fonksiyonel seramiklerde nadir toprak elementlerinin kullanımını anlamanıza yardımcı olacaktır. Hadi başlayalım.
Nadir Toprak Elementleri ve Önemi:
Nadir toprak elementleri (NTE) veya nadir toprak elementleri, periyodik tabloda benzer özelliklere sahip 17 elementtir. Periyodik tablodaki NTE elementleri şunlardır:
-
Lantan (La)
-
İskandiyum(Sc)
-
Seryum(Ce)
-
İtriyum(Y)
-
Neodimyum(Nd)
-
Disprozyum(Dy)
-
Praseodimyum(Pr)
-
Samaryum(Sm)
-
Gadolinyum(Gd)
-
Terbiyum (Tb)
-
Europium(AB)
-
Yatterbiyum(Yb)
-
Holmium(AB)
-
Prometyum(Pm)
-
Lutesyum(Lu)
-
Erbiyum(Er)
-
Tuliyum(Tm)
Bu 17 element, çeşitli ileri teknoloji cihazlarının önemli bir parçasıdır. Nadir toprak elementleri, birçok uygulamaya sahip 200'den fazla ürünün üretiminde kullanılır.
Nadir toprak elementleri imalatta yaygın olarak kullanılmaktadır:
-
tüketici elektroniği ürünleri,
-
kişisel bilgisayarlar,
-
sabit diskler,
-
elektrikli araçlar (EV'ler),
-
hibrit araçlar,
-
cep telefonları,
-
televizyonlar,
-
ve düz ekran monitörler, vb.
Nadir toprak malzemelerinin ayrıca radar sistemleri, sonar sistemleri, güdüm sistemleri, lazerler ve elektronik göstergeler gibi savunma sistemi cihazlarının üretiminde de uygulamaları bulunmaktadır.
Söz konusu ürünlerde kullanılan nadir toprak elementlerinin toplam miktarının, hacim, ağırlık ve değerleriyle karşılaştırıldığında önemli bir miktar olmadığını, ancak cihazın çalışması için elzem olduğunu belirtmekte fayda var.
Örneğin, iğ motorları ve bilgisayar ses bobinleri üretimi, toplam ağırlıklarından daha az miktarda REE gerektirir. Ancak bunlar olmadan üretim yapılamaz.
Çin şu anda dünyadaki nadir toprak elementlerinin yaklaşık -70'ine sahip. 1990'ların başında, nadir toprak elementlerinin üretimi, tedariki ve ihracatı Çin'de ulusal bir mesele haline geldi. Daha sonra Çin, yurt dışına satılan nadir toprak elementlerini azaltmaya başladı.
Çin, kullanım alanları ve bulunabilirlikleri göz önünde bulundurularak yedi nadir toprak elementinin ihracatını kısıtladı.
Fonksiyonel Seramikler Nelerdir?
Fonksiyonel seramikler, geleneksel ve yapısal seramiklerin ötesinde üstün özellikler için geliştirilmiş seramik türleridir. Manyetik, elektrik ve optik mühendislik çalışmalarında yaygın olarak kullanılırlar.
Yapıları, bileşimleri ve özellikleri bakımından büyük bir çeşitliliğe sahiptirler ve birçok ileri teknoloji amacı için kullanılabilirler.
Fonksiyonel seramik hazırlama, hammadde işleme, formülasyon, karıştırma ve öğütme, su giderme, ön sentez, öğütme, granülasyon, şekillendirme, sinterleme ve elektrotlama gibi uzun bir işlem sistemini gerektirir.
Fonksiyonel seramiğin bu titiz işleme yöntemi, manyetik, elektriksel, termal, optik, fotoelektrik, arayüzeysel, mekanik, taşıma, termodinamik, termoelektrik, ferroelektrik, biyoaktif, biyouyumlu ve elektrokimyasal gibi özelliklerinin korunmasına yardımcı olur.
Fonksiyonel Seramiklerde Nadir Toprak Elementlerinin Kullanımı:
Süperiletken Seramikler için REE'ler: Süperiletken seramikler, aşırı sıcaklık iletkenliği özellikleri gösteren seramik malzemelerdir. Bu malzemeler diyamanyetizma içermez ve sıfır dirence sahiptir. LaSrCuO, LaBaCuO, YbCuO ve BaPbBi en sık kullanılan süperiletken seramiklerden bazılarıdır. Bu bileşenler nadir toprak elementlerinden oluşur.
Nadir toprak elementleri, seramiklerin kritik akım yoğunluğunu artırır ve manyetik alanlardaki performanslarını yükseltir. Süperiletkenler, enerji kaybetmeden elektrik taşıyabilir ve manyetik alanları itebilir. Dolayısıyla manyetik alan süperiletkenlerden geçemez.
Süperiletken seramik kullanımının başlıca sektörleri arasında su arıtma sistemleri, süper bilgisayar üretimi, manyetik levitasyonlu tren üretimi ve güç iletim ve dağıtım sistemleri yer almaktadır.
Optik Seramikler için REE'ler: Nadir toprak elementleri, optik seramiklerin vazgeçilmez bir parçasıdır. Optik seramikler, şeffaf ve görünür ışığı geçirebilen özel bir fonksiyonel seramik türüdür.
Şeffaf seramik üretimi, saf ultra ince malzemeler veya yüksek kaliteli kristal eksenlerine sahip eş eksenli kristaller gerektirir. Bu kristal, ana şeffaf fazdır ve sabit miktarda modifiye edici katkı maddesiyle sıkı bir şekilde sürdürülen bir sinterleme işlemiyle üretilir.
Nadir toprak elementleri optik seramiklerin rengini, ışığını ayarlar, boyutunu küçültür ve enerji verimliliğini artırır.
Düzenli olarak kullanılan bazı optik seramiklere örnek olarak alümina, itriyum trioksit (Y2O3), kurşun lantan zirkonyum titanat seramik (PLZT), alümina, kalsiyum oksit, magnezyum ve toryum oksit (ThO2) verilebilir.
Manyetik Seramikler için REES: Manyetik seramikler, tek veya birden fazla metal elementten oluşur. Manyetik seramiklerin ana elementleri demirdir. Ferrit seramikler, manyetik seramikler için yaygın bir isimdir.
Ferrit, geleneksel manyetik metallere göre daha yüksek özdirence sahip bir yarı iletkendir. Girdap akımı kaybı düşüktür.
Manyetik seramik malzemeler, kullanım alanlarına göre yumuşak manyetik ve sert manyetik olmak üzere iki kategoriye ayrılır. Sert manyetik malzemelerin mıknatıslanması ve manyetikliğinin giderilmesi çok zordur. Manyetik depolama aygıtları ve mıknatıslarda kullanılırlar ve nadir toprak mıknatısları ile ferrit mıknatıslardan oluşurlar.
Öte yandan, yumuşak manyetik malzemeler mıknatıslanmaya eğilimlidir ve kolayca mıknatıslanabilir veya mıknatıslığı giderilebilir. Bu yumuşak malzemelerdeki manyetik akının yönü de değiştirilebilir. Yumuşak manyetik malzemeler, değişen manyetik alanlara tepki vermesi gereken elektronik bileşenlerde yaygın olarak kullanılır.
Kristal yapılarına göre üç tür manyetik seramik vardır: altıgen ferritler, spinel ferritler ve granat ferritler. Granat ferrit çoğunlukla fonksiyonel seramiklerde kullanılır. Yüksek özdirenci ve çok düşük yüksek frekans kaybı nedeniyle aşırı frekanslı manyetik alanlarda kullanılır.
Piezoelektrik Seramikler için REE'ler: Piezoelektrik seramikler, piezoelektrik etkiye sahip fonksiyonel seramiklerdir. Nadir toprak elementleri, bu seramiklerin sinterleme performansını, elektriksel özelliklerini ve piezoelektrik katsayısını iyileştirir.
Piezoelektrik etki, bir malzemenin mekanik stres uygulandığında elektrik yükü oluşturma yeteneğini ifade eder. Piezoelektrik etki iki türdür: pozitif ve negatif. Stresle elektrik yükü oluşturulduğunda buna pozitif piezoelektrik etki, elektrik yüküyle stres oluşturulduğunda ise negatif piezoelektrik etki denir.
Kurşun zirkonyum titanat, baryum titanat ve kurşun titanat çoğunlukla piezoelektrik seramikler olarak kullanılır ve perovskit tipi piezoelektrik seramikler olarak bilinirler.
Yukarıda tartıştığımız gibi, süperiletken seramiklerin çoğu temel bileşen olarak nadir toprak elementleri (NTE) içerir. Örneğin, süperiletken oksit seramik itriyum baryum bakır oksit (YBCO), nadir toprak elementlerinden itriyumdan oluşur. Eş eksenli kristal yapıya ve M3 (Fe5O12) moleküler formülüne sahiptir.
Ayrıca, nadir toprak elementleri fonksiyonel seramiklerde katkı maddesi olarak da kullanılır. Fonksiyonel seramiklere bazı nadir toprak elementleri eklendiğinde, mukavemetleri, yoğunlukları ve kohezyonları büyük ölçüde iyileşir.
Sıkça Sorulan Sorular:
Nadir Toprak Metalleri Nelerdir?
Nadir toprak metalleri, 15 lantanit, skandiyum ve itriyum olmak üzere 17 elementten oluşan bir gruptur.
Tüketici elektroniği, tıbbi ekipman, elektrikli araçlar (EV'ler), petrol rafinerisi, uçak motorları, askeri uygulamalar, radar sistemleri ve füzelerde yaygın olarak kullanılmaktadırlar.
Evrendeki En Nadir Metal Hangisidir?
Evrendeki en nadir metal, kararlı haldeyken tantaldır. Fransiyum en nadir metal olarak kabul edilse de, kararlı bir hali veya kullanımı yoktur.
Dünyanın En Nadir Metali Hangisidir?
Lantan dünyanın en nadir metali olarak kabul edilir.
Nadir toprak metalleri nasıl tanımlanır?
Nadir toprak metalleri, periyodik tabloda lantanit serisi olarak bilinen 15'i, diğer ikisi ise itriyum ve skandiyum olmak üzere 17 nadir elementten oluşan bir grup olarak tanımlanır.
Nadir metal külçe nedir?
Nadir metal külçeleri, platin, paladyum ve rodyum gibi nadir metallerden yapılmış rafine edilmiş külçelerdir. Doğada nadir bulunurlar ve endüstride çeşitli kullanım alanlarına sahiptirler.
Çözüm: Nadir toprak elementleri, fonksiyonel seramiklerde temel elementler olarak ve performansı artıran bir takviye olarak birçok kullanım alanına sahiptir. Bu seramiklere bazı önemli özellikler katmışlardır.
Nadir toprak minerallerinin fonksiyonel seramiklerle birlikte kullanımı, onları modern ileri teknolojilerin vazgeçilmez bir unsuru haline getirmiştir.