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              鈧在新材料中的應用領域

              2020-12-09 16:34:51

              鈧是稀土元素的一種,是應用于諸多國防軍工及高科技領域的不可替代的戰略資源。本文首先介紹了鈧在新材料領域中的應用,包括在鋁鈧合金、燃料電池、鈧鈉鹵燈、示蹤劑、激光晶體、特種鋼和有色合金中的作用,并分析了它們的具體應用領域。

              一、鈧在新材料中的應用

              鈧因其自身特殊物理、化學性質,已用于制備鋁鈧合金、燃料電池、鈧鈉鹵燈、示蹤劑、激光晶體等產品,在特種鋼鐵、有色合金、高性能陶瓷、催化劑等領域有著廣闊的應用前景。當前眾多應用中,鋁鈧合金、燃料電池和鈧鈉鹵燈對鈧產品的需求量*大。

              鋁鈧合金

              1、鋁鈧合金

              鋁合金中添加微量鈧可以大幅提升鋁合金的強度、塑韌性、耐高溫性能、耐腐蝕性能、焊接性能和抗中子輻照損傷性能,已作為結構材料用于航天、航空、核反應堆等領域,在艦船、高鐵列車、輕型汽車等領域也有著廣泛的應用前景。

              在航天、航空工業中,鋁鈧合金的應用發展較快。俄羅斯研究的較為系統,且已實現工業化應用。他們已開發出四大系列14個牌號的鋁鈧合金,四個系列分別為熱處理非強化可焊Al-Mg-Sc系合金;熱處理強化高強度可焊Al-Zn-Mg-Sc系合金;熱處理強化中強和高強可焊Al-Li-Sc系合金;熱處理強化高強Al-Zn-Cu-Sc系航空合金。如Al-Li-Sc系合金作為飛機的結構材料,已用于米格-20、米格-29、圖-204客機和雅克-36直升機等。國外其他一些國家已在大型民用飛機的承重部件用鋁鈧合金材料代替其他材料,以提高飛機的綜合性能。

              在核工業、艦船工業等領域,鋁鈧合金有較強的抗中子輻照損傷性能,可用于核反應堆的結構件中。因鋁鈧合金質量輕、剛度高、焊接強度大、低熱開裂性、優良的抗疲勞性能在船舶承重件、高速列車結構材料、輸油管等方面的應用均具有較大潛力。

              2、燃料電池

              固體氧化物燃料電池(SolidOxide Fuel Cell,SOFC)是一種電化學發電裝置,已用于分布式區域供電,在大規模發電、新能源汽車等領域具有廣泛的應用前景。摻雜的氧化鋯因其具有優異的化學穩定性和和良好的氧離子電導率,已在SOFC中獲得實際應用。氧化鈧穩定的氧化鋯體系具有較高的電導率,氧離子通過能力較其它金屬摻雜的氧化鋯體系,提高了1-2倍,可以在相同輸出功率條件下縮小體積1/2-2/3。2013年,氧化鈧穩定氧化鋯燃料電池在美國和日本已經實現了商業化生產及應用。

              3、鈧鈉鹵燈

              金屬鹵化物燈(簡稱金鹵燈)是一種新型節能光源,具有高光效、高亮度、高顯色、多色調、長壽命的特點,是高強度放電燈中*有競爭力的產品,被稱為第三代光源,具有廣闊的應用前景。鈧鈉鹵燈是開發的*早的一種,在20世紀80年代初開始大批量的投入生產。

              4、示蹤劑

              示蹤劑是指為觀察、研究和測量某物質在指定過程中的行為或性質而加入的一種標記物。目前國內外開采油田的主要方式是注水開發,一些能隨流體運動的固體顆?;蚧瘜W藥劑等被廣泛應用于油田開發過程中。示蹤劑分為三類,化學示蹤劑、放射性同位素示蹤劑、穩定性同位素示蹤劑三種。大自然中穩定存在的鈧同位素為45Sc,將鈧放在核反應堆中,吸收中子輻射,原子核中多一個中子,形成46Sc,它的半衰期為83.79天。46Sc是人造放射性元素,在自然界中并不存在,可以極為*確地觀察、研究和測量油井的地質特征,提高作業效率,還具有用量少、環境及人體危害相對較小的優點。美國2004年開始就將46Sc用于油井示蹤劑,取得了極為良好的探測效果。

              5、激光晶體

              立方晶型的氧化鈧具有高折射率、高帶寬、高導熱率等優異性能,因而作為激光材料受到人們廣泛關注。當前鈧激光基質晶體主要有Gd3Sc2Ga3O12(GSGG)和Y3Sc2Ga3O12(YSGG)兩種,并衍生出摻雜其他稀土元素(例如釹、釔、鉺等)多個系列的激光基質晶體。GSGG的優勢為效率高,(Nd, Cr) : GSGG是同等條件下Nd : YAG的激光效率的2-4倍。另外,還具有強的抗輻射能力,易于長成大尺寸單晶。鈧系列晶體在醫學治療、軍事、金屬加工、環境研究等領域展現出廣闊的應用前景。由于鈧的價格、供給穩定性等問題,鈧系列晶體的發展稍晚,進入21世紀后,德國、美國和日本才實現了鈧晶體的批量化生產并逐步推廣應用。

              6、特種鋼和有色合金

              鈧的性質與其他稀土元素類似,并且性能更為優越,對于鋼鐵、有色合金中相關稀土元素的部分替代是完全可行的。鈧可以改善合金的強度、硬度、耐熱性能、耐腐蝕性能等,在合金領域中的應用前景非常廣闊。鈧使鑄鐵中石墨球化的作用比稀土元素更有效,可顯著改善鑄件性能;鈧加到鎳、鉻和鎢基耐熱高溫合金中,可顯著提高其抗氧化性;高鉻合金的焊接填料中添加鈧,可大幅提高焊縫拉伸強度;鈧加到Mg基或Ti基合金中,可使合金有較好的機械、電學、可塑和穩定性能。美國一直高度重視鈧在合金領域的研究,研發歷程已持續了20多年。

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