Gốm chức năng là một loại gốm mới được phát triển để sản xuất các công nghệ tiên tiến. Nó được sử dụng rộng rãi trong công nghệ cảm biến, khoa học máy tính, kỹ thuật sinh học, công nghiệp ô tô và khoa học môi trường.
Vật liệu đất hiếm có ứng dụng to lớn trong việc cải thiện đặc tính và hiệu suất của gốm chức năng. Đất hiếm giúp tăng cường khả năng phản ứng của gốm chức năng với các hiệu ứng ánh sáng, điện, từ, âm thanh, năng lượng và nhiệt.
Bài viết này sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về ứng dụng của các nguyên tố đất hiếm trong gốm sứ chức năng. Hãy cùng tìm hiểu sâu hơn nhé.
Các nguyên tố đất hiếm và tầm quan trọng của chúng:
Nguyên tố đất hiếm (REE) hay đất hiếm là 17 nguyên tố trong bảng tuần hoàn có tính chất tương tự nhau. Các nguyên tố REE trong bảng tuần hoàn là:
-
Lanthanum (La)
-
Scandi (Sc)
-
Xeri (Ce)
-
Ytri(Y)
-
Neodymium (Nd)
-
Dysprosium (Dy)
-
Praseodymium(Pr)
-
Samari (Sm)
-
Gadolinium (Gd)
-
Terbi (Tb)
-
Europium (Eu)
-
Yatterbium(Yb)
-
Holmium (EU)
-
Promethi (Pm)
-
Lutetium (Lu)
-
Erbi (Er)
-
Thulium(Tm)
17 nguyên tố này là thành phần thiết yếu của nhiều thiết bị công nghệ tiên tiến. Các nguyên tố REE được sử dụng để sản xuất hơn 200 sản phẩm với nhiều ứng dụng khác nhau.
REE được sử dụng rộng rãi trong sản xuất:
-
sản phẩm điện tử tiêu dùng,
-
máy tính cá nhân,
-
ổ cứng,
-
xe điện (EV),
-
xe hybrid,
-
điện thoại di động,
-
tivi,
-
và màn hình phẳng, v.v.
Vật liệu đất hiếm cũng được ứng dụng trong sản xuất thiết bị hệ thống quốc phòng, chẳng hạn như hệ thống radar, hệ thống sonar, hệ thống dẫn đường, tia laser và màn hình điện tử.
Điều đáng nói là tổng lượng vật liệu đất hiếm được sử dụng trong các sản phẩm đó không đáng kể so với khối lượng, trọng lượng và giá trị của chúng, nhưng lại rất cần thiết cho hoạt động của thiết bị.
Ví dụ, việc sản xuất động cơ trục chính và cuộn dây âm thanh máy tính cần một phần nhỏ REE so với tổng trọng lượng của chúng. Nhưng những thứ này không thể được sản xuất nếu không có chúng.
Trung Quốc hiện nắm giữ gần 60-70% lượng nguyên tố đất hiếm trên thế giới. Đầu những năm 1990, việc sản xuất, cung ứng và xuất khẩu đất hiếm đã trở thành vấn đề quốc gia ở Trung Quốc. Sau đó, Trung Quốc bắt đầu giảm lượng đất hiếm bán ra nước ngoài.
Hiện nay, Trung Quốc đã hạn chế xuất khẩu bảy loại vật liệu đất hiếm vì tính ứng dụng và khả năng cung cấp của chúng.
Gốm sứ chức năng là gì?
Gốm chức năng là loại gốm được phát triển với chất lượng vượt trội so với gốm truyền thống và gốm kết cấu. Chúng được sử dụng rộng rãi trong các công trình kỹ thuật từ tính, điện và quang học.
Chúng có sự đa dạng lớn về cấu trúc, thành phần và tính chất. Chúng có thể được sử dụng cho nhiều mục đích công nghệ cao.
Việc chế tạo gốm chức năng đòi hỏi một hệ thống xử lý lâu dài bao gồm xử lý nguyên liệu thô, pha chế, trộn & nghiền, tách nước, tổng hợp sơ bộ, nghiền, tạo hạt, định hình, thiêu kết và điện phân.
Phương pháp xử lý nghiêm ngặt này của gốm chức năng giúp duy trì các đặc tính của nó, chẳng hạn như từ tính, điện, nhiệt, quang học, quang điện, giao diện, cơ học, vận chuyển, nhiệt động lực học, nhiệt điện, sắt điện, hoạt tính sinh học, tương thích sinh học và điện hóa.
Sử dụng các nguyên tố đất hiếm trong gốm sứ chức năng:
REE cho gốm siêu dẫn: Gốm siêu dẫn là vật liệu gốm thể hiện tính dẫn nhiệt cực cao. Những vật liệu này không có tính nghịch từ và điện trở bằng không. LaSrCuO, LaBaCuO, YbCuO và BaPbBi là một số loại gốm siêu dẫn được sử dụng phổ biến nhất. Các thành phần này bao gồm các nguyên tố đất hiếm.
Đất hiếm làm tăng mật độ dòng điện tới hạn của gốm và cải thiện hiệu suất của chúng trong từ trường. Siêu dẫn có thể dẫn điện mà không mất năng lượng và đẩy lùi từ trường. Do đó, từ trường không thể đi qua siêu dẫn.
Các lĩnh vực chính sử dụng gốm siêu dẫn bao gồm hệ thống lọc nước, sản xuất siêu máy tính, sản xuất tàu đệm từ và hệ thống truyền tải và phân phối điện.
REE cho gốm quang học: Nguyên tố đất hiếm là thành phần thiết yếu của gốm quang học. Gốm quang học là loại gốm chức năng đặc biệt, trong suốt và có thể cho ánh sáng khả kiến đi qua.
Sản xuất gốm trong suốt đòi hỏi vật liệu siêu mịn tinh khiết hoặc tinh thể đẳng trục với trục tinh thể chất lượng cao. Tinh thể này là pha trong suốt chính và được sản xuất bằng quy trình thiêu kết được duy trì nghiêm ngặt với một lượng phụ gia biến tính cố định.
Đất hiếm có tác dụng điều chỉnh màu sắc, ánh sáng, giảm thiểu kích thước và tăng hiệu suất năng lượng của gốm quang học.
Ví dụ về một số loại gốm quang học thường được sử dụng là nhôm oxit, ytri trioxit (Y2O3), gốm titanat zirconat chì lanthanum (PLZT), nhôm oxit, canxi oxit, magie oxit và thori oxit (ThO2).
REES cho Gốm từ tính: Gốm từ tính bao gồm một hoặc nhiều thành phần kim loại. Thành phần chính của gốm từ tính là Sắt. Gốm ferit là tên gọi phổ biến của gốm từ tính.
Ferrite là chất bán dẫn có điện trở suất cao hơn các kim loại từ tính thông thường. Nó có tổn thất dòng điện xoáy nhỏ.
Vật liệu gốm từ tính có thể được chia thành hai loại theo mục đích sử dụng: vật liệu từ mềm và vật liệu từ cứng. Vật liệu từ cứng rất khó từ hóa và khử từ. Chúng được ứng dụng trong các thiết bị lưu trữ từ tính và nam châm, và được tạo thành từ nam châm đất hiếm và nam châm ferit.
Ngược lại, vật liệu từ mềm dễ bị từ hóa và có thể dễ dàng từ hóa hoặc khử từ. Hướng của từ thông trong các vật liệu mềm này cũng có thể thay đổi. Vật liệu từ mềm được sử dụng phổ biến trong các linh kiện điện tử cần phản ứng với từ trường thay đổi.
Có ba loại gốm từ tính dựa trên cấu trúc tinh thể của chúng: ferrite lục giác, spinel và ferrite garnet. Ferrite garnet chủ yếu được sử dụng trong gốm chức năng. Nó được sử dụng trong từ trường tần số cực cao nhờ điện trở suất cao và tổn hao tần số cao rất nhỏ.
REE cho gốm áp điện: Gốm áp điện là loại gốm chức năng có hiệu ứng áp điện. Đất hiếm cải thiện hiệu suất thiêu kết, tính chất điện và hệ số áp điện của loại gốm này.
Hiệu ứng áp điện đề cập đến khả năng tạo ra điện tích của vật liệu khi chịu ứng suất cơ học. Hiệu ứng áp điện có hai loại: dương và âm. Khi điện tích được tạo ra bởi ứng suất, nó được gọi là hiệu ứng áp điện dương, và khi ứng suất được tạo ra bởi điện tích, nó được gọi là hiệu ứng áp điện âm.
Titanat chì zirconat, titanat bari và titanat chì chủ yếu được sử dụng làm gốm áp điện. Chúng được gọi là gốm áp điện loại perovskite.
Như đã thảo luận ở trên, hầu hết gốm siêu dẫn đều có thành phần cơ bản là REE. Ví dụ, gốm oxit siêu dẫn ytri bari đồng oxit (YBCO) được tạo thành từ ytri, một nguyên tố đất hiếm. Nó có cấu trúc tinh thể đẳng trục với công thức phân tử M3(Fe5O12).
Hơn nữa, các nguyên tố đất hiếm cũng được sử dụng làm phụ gia trong gốm chức năng. Khi một số vật liệu đất hiếm được thêm vào gốm chức năng, cường độ, mật độ và độ kết dính của chúng được cải thiện đáng kể.
Những câu hỏi thường gặp:
Kim loại đất hiếm là gì?
Kim loại đất hiếm là một nhóm gồm 17 nguyên tố, bao gồm 15 nguyên tố nhóm Lantan, Scandi và Ytri.
Chúng được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử tiêu dùng, thiết bị y tế, xe điện (EV), lọc dầu, động cơ máy bay, ứng dụng quân sự, hệ thống radar và tên lửa.
Kim loại nào hiếm nhất trong vũ trụ?
Kim loại hiếm nhất trong vũ trụ ở trạng thái ổn định là tantali. Mặc dù franxi được coi là kim loại hiếm nhất, nhưng nó không có trạng thái ổn định hay công dụng gì.
Kim loại nào hiếm nhất thế giới?
Lanthanum được coi là kim loại hiếm nhất trên thế giới.
Làm thế nào để định nghĩa kim loại đất hiếm?
Kim loại đất hiếm được định nghĩa là một nhóm gồm 17 nguyên tố hiếm, 15 trong số đó được gọi là dãy lanthanide trong bảng tuần hoàn, và hai nguyên tố còn lại là yttri và scandi.
Thỏi kim loại hiếm là gì?
Thỏi kim loại hiếm là những thỏi tinh luyện được làm từ các kim loại hiếm như bạch kim, palađi và rhodi. Chúng rất hiếm trong tự nhiên và có nhiều ứng dụng trong công nghiệp.
Phần kết luận: Đất hiếm có nhiều ứng dụng trong gốm sứ chức năng, vừa là nguyên tố cơ bản vừa là chất bổ sung để tăng hiệu suất. Chúng đã bổ sung một số đặc tính ưu việt cho gốm sứ.
Việc sử dụng khoáng chất đất hiếm với gốm sứ chức năng đã biến chúng thành yếu tố thiết yếu của công nghệ tiên tiến hiện đại.