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稀土纳米材料应用及生产技术

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稀土纳米材料应用及生产技术
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稀土纳米材料应用及生产技术

【摘要】:
稀土元素本身具有丰富电子结构,表现出许多光,电,磁特性.稀土纳米化后,表现出许多特性,如小尺寸效应,高比表面效应,量子效应,极强光,电,磁性质,超导性,高化学活性等,能大大提高材料性能和功能,开发出许多新材料.在光学材料,发光材料,晶体材料,磁性材料,电池材料,电子陶瓷,工程陶瓷,催化剂等高科技领域,将发挥重要作用. 一,目前开发研究和应用领域1.稀土发光材料:稀土纳米荧光粉(彩电粉,灯粉),发光
稀土元素本身具有丰富电子结构,表现出许多光,电,磁特性.稀土纳米化后,表现出许多特性,如小尺寸效应,高比表面效应,量子效应,极强光,电,磁性质,超导性,高化学活性等,能大大提高材料性能和功能,开发出许多新材料.在光学材料,发光材料,晶体材料,磁性材料,电池材料,电子陶瓷,工程陶瓷,催化剂等高科技领域,将发挥重要作用.
 
一,目前开发研究和应用领域
1.稀土发光材料:稀土纳米荧光粉(彩电粉,灯粉),发光效率提高,将大大减少稀土用量.主要使用Y2O3,Eu2O3,Tb4O7,CeO2,Gd2O3.高清晰度彩色电视候选新材料.?
2.纳米超导材料:使用Y2O3制备YBCO超导体,特别薄膜材料,性能稳定,强度高,易加工,接近实用阶段,前景广阔.
3.稀土纳米磁性材料:用于磁存储器,磁流体,巨磁阻等,性能大大提高,使器件变得高性能小型化.如氧化物巨磁电阻靶材(REMnO3等).
4.稀土高性能陶瓷:使用超细或纳米级Y2O3,La2O3,Nd2O3,Sm2O3等制备电子陶瓷(电子传感器,PTC材料,微波材料,电容器,热敏电阻等),电性能,热性能,稳定性得到许多改善,是电子材料升级重要方面.如纳米Y2O3和ZrO2在较低温度烧结陶瓷,具有很强强度和韧性,用于轴承,刀具等耐磨器件;用纳米Nd2O3,Sm2O3等制作多层电容,微波器件,性能大大提高.?
5.稀土纳米催化剂:在许多化学反应中,使用稀土催化剂,若使用稀土纳米催化剂,催化活性,催化效率将大幅提高.现用CeO2纳米粉在汽车尾气净化器上,具有活性高,价格低,寿命长优点,并代替了大部分贵金属,每年用量数千吨.
6.稀土紫外线吸收剂:纳米CeO2粉对紫外线吸收极强,用于防晒化妆品,防晒纤维,汽车玻璃等.?
7.稀土精密抛光:CeO2对玻璃等有较好抛光作用.纳米CeO2则有较高抛光精密度,已用于液晶显示,硅单晶片,玻璃存储等.总之,稀土纳米材料应用才刚刚开始,而且集中在高科技新材料领域,附加值高,应用面广,潜力巨大,商业前景十分看好.
二,制备技术
?目前纳米材料不论是生产还是应用,都引起各国重视.我国纳米技术不断取得进步,在纳米级SiO2,TiO2,Al2O3,ZnO2,Fe2O3等粉体材料中,已经成功进行工业化生产或试生产,但现有生产工艺,生产成本很高是其致命弱点,将影响纳米材料推广应用,因此要不断改进.?
由于稀土元素特殊电子结构及较大原子半径,其化学性质与其它元素有很大不同,因此,稀土纳米氧化物制备方法和后处理技术上,与其它元素也有所不同.主要研究方法有:?
1.沉淀法:包括草酸沉淀,碳酸沉淀,氢氧化物沉淀,均相沉淀,络合沉淀等.该方法最大特点就是:溶液成核快,易控制,设备简单,可制得高纯度产品.但难过滤,易团聚.?
2.水热法:在高温高压条件下,加快和强化离子水解反应,并形成分散纳米晶核.该方法能得到分散均匀,粒度分布狭窄纳米粉,但要求高温高压设备,设备昂贵,操作不安全.?
3.凝胶法:是制备无机材料重要方法,在无机合成中占有相当地位.在低温下,有机金属化合物或有机络合物,通过聚合或水解等反应,形成溶胶,一定条件下形成凝胶,进一步热处理,可得比表面较大,分散较好超微纳米粉.该方法可在温和条件下进行,得到粉体比表面大,分散性好,但反应时间长,需要数日才能完成,难于达到工业化要求.
4.固相法:通过固体化合物或中间固相反应,进行高温分解.如硝酸稀土与草酸,固相混合球磨,形成稀土草酸盐中间体,然后高温分解,得到超细粉.该方法反应效率高,设备简单,操作容易,但所得粉体形态不规则,均匀性差.
这些方法不是唯一,也不一定完全适用于工业化.还有许多制备方法,如有机微乳法,醇盐水解法等.?
三,工业化开发进展
工业化生产往往不是采用单一某种方法,而是取长补短,几种方法复合,这样才能达到商业化所要求产品质量高,成本低,过程安全高效.广东惠州瑞尔化学科技有限公司,近期开发稀土纳米材料取得了工业化进展.经过多种方法探索和无数次试验,找到了比较适合工业化生产方法-微波凝胶法,该技术最大优点是:将原来约10天凝胶反应,缩短到1天,这样生产效率提高了10倍,成本大大降低,而且产品质量好,比表面大,经用户试用反应良好,价格比美国,日本产品低30%,非常具有国际竞争力,达到国际先进水平.?
最近用沉淀法进行工业试验,主要是用氨水和碳酸氨进行沉淀,并用有机溶剂脱水和作表面处理,该方法工艺简单,成本低,但产品质量欠佳,仍有部分团聚,有待进一步改进和提高.?
我国是稀土资源大国,稀土纳米材料开发应用,开辟了稀土资源有效利用新途径,扩展了稀土应用范围,促进了新功能材料发展,增加了高附加值产品出口,提高了创汇能力,对把资源优势变为经济优势有重要现实意义.
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