稀土功能材料研究现状摘要：稀土元素被誉为二十一世纪新材料的宝库，因其在电、光、磁等方面具有独特性质，故在功能材料领域获得了广泛的应用。
文章介绍了稀土磁性材料、稀土发光材料、稀土催化材料、稀土贮氢材料、稀土超导材料的研究及其应用进展。
关键词：稀土、功能材料、研究现状引言功能材料是以物理性能为主的工程材料的统称，即指在电、磁、声、光、热等方面具有特殊性质，或在其作用下表现出特殊功能的材料[1]。
它是现代高新技术的先导和基础，对它的研究、开发和应用将促进国家的科技发展水平，提高国家的综合经济实力和在高科技领域的竞争力。
被称为新材料“宝库”的稀土元素具有独特的4f电子结构，大的原子磁距，很强的自旋轨道藕合等特性，与其它元素形成稀土配合物时，配位数可在3—12之间变化，并且稀土化合物的晶体结构也是多样化的。
稀土元素具有独特的光学、电学及磁学物理化学性质，使其在功能材料领域获得了广泛的应用。
因此，无论是稀土金属还是其化合物都有良好的应用价值。
本文着重介绍了在工农业生产和科学技术领域中有广泛应用的不同类型的稀土材料。
1、传统领域中的稀土材料1.1稀土在农轻工中的应用早在20世纪五六十年代，稀土就在农业、纺织业、石油化工业等传统领域得到了广泛的应用。
稀土在农业的应用时我国科学独立自主开发的成果，先后被列入国家“六五”和“七五”科技攻关计划。
稀土元素作为微量元素用于农业主要有2个优点：一是作为植物的生长、生理调节剂，使农作物具有高产量、优品质和抗逆性3大特性；二是稀土属低毒、非致癌物质、合理使用稀土对人畜无害，对环境无污染[2]。
如添加稀土元素的硝酸盐化合物作为微量元素化合物施用于农作物可起到生物化学酶或辅助酶的生物功效，具有增产的效果[3]。
在纺织业中，铈组元素（Eu以前的镧系元素）的氯化物或醋酸盐可提高纺织品的耐水性，并使织物具有防腐、防蛀、防酸等性能。
某些稀土化合物还可以作为皮革的着色剂或媒染剂，La,Ce,Nd的一些化合物可用作油漆的干燥剂，增强油漆的耐腐蚀性。
1.2 稀土在冶金工业的应用1.2.1稀土在炼钢工业中的应用稀土元素对O、S和某些非金属具有强亲和力，利用这一特点，将稀土用于炼钢中能净化钢液，能起到脱硫和脱氧的作用，其原理是加入钢种的稀土能结合钢中可能生成的MnS、Al2O3和硅铝酸夹杂物的O和S形成化合物。
稀土脱硫、脱氧过程可用化学反应表示为：[RE]+MnS=RES(s)+[Mn]2[RE]+Al2O3=RE2O3(s)+2[Al][RE]+Al2O3=REAlO3(s)+[Al]4[RE]+3SiO2=2RE2O3+3[Si]生成的这些稀土化合物有部分能从钢液中上浮进入渣中，从而减少钢液中夹杂物，达到净化目的。
稀土中铈组氧化物有较好的稳定性，因而铈组稀土是较好的脱氧剂[4].另外，由于稀土原子半径比铁大得多，所以在钢液冷却过程中，它能填补在钢的晶粒断相表面缺陷处，阻止晶粒长大，使得钢的晶粒细化，致密度提高，从而改善钢的性能。
1.2.2 稀土在铸铁及有色金属冶炼中的应用稀土在铸铁中的应用可分为3个阶段：一是从20世纪60年代开始，稀土元素（如Ce、La、Y）作为球化剂、精炼剂和脱硫剂加入到铁水中以制取球磨铸铁；二是从70年代开始，稀土作为蠕化剂加入铁水中以制取蠕虫状石墨铸铁；三是从80年代开始，用稀土合金孕育剂对灰铁铁水进行处理，以获得优质灰铸铁[5]。
在有色金属冶炼中，稀土可提高合金的高温抗氧化性、提高材料的强度，改善材料的工艺性能。
研究表明，稀土存在于Al-Zn-Mg合金的晶界处能改善合金的晶粒尺寸因素和晶粒取向因素，从而增强合金的超塑性效应，提高耐腐蚀性[6]。
1.3 稀土在炼油业中的应用目前，世界上90%的炼油裂化装置都使用含稀土的催化剂[7]，其中稀土分子筛型石油裂化催化剂的应用最广，它具有活性高、选择性好、能提高汽油收率、降低炼油成本等特点，使原油出油率提高10%-20%[3]。
如在石油裂化中，RE2O3的质量分数为0.02，其他成分是Na2O、A12O3等。
稀土Y型分子筛催化剂与传统的硅铝催化剂相比，在相同转化率的条件下，装置能力可以提高到1.3～1.5倍或在相同焦炭产率下，可多生产1.15～1.2倍的汽油[4]。
20世纪60年代初，稀土分子筛型石油催化剂开始应用于石油化工工业，被誉为炼油工业的一次重大革命。
1.4 稀土在玻璃工业中的应用玻璃工业是稀土应用的一个重要传统领域。
稀土在此工业中主要是用作澄清剂、添加剂、脱色剂、着色剂等。
如在玻璃中加入氧化镨(Pr2O3)，可以得到绿色玻璃；加人氧化钕(Nd203)可得到紫罗蓝色的玻璃。
在玻璃原料中加入CeO2，它不仅能与Fe2O3等杂质形成高熔点盐类，浮到熔融玻璃表面除去杂质，起澄清剂的作用，还能使Fe2+变为Fe3+，起到脱色的作用[8]。
某些稀土化合物添加入玻璃中可制得特种玻璃，用于制造照相机、摄像机、望远镜等高级光学仪器的镜头以及防辐射玻璃，如含La2O3的特种玻璃，具有折射率高、化学稳定性好的特点，可用于制造照相机和潜望镜的镜头。
1．5 稀土在陶瓷业中的应用稀土氧化物可作为着色剂和添加剂用于陶瓷颜料和釉料。
稀土氧化物如Ce2O3、Pm2O3。
、Er2O3和Nd2O3等用于陶瓷着色颜料中具有色彩鲜艳、稳定、耐高温性能好、遮盖力强、呈色均匀等优点，可用于陶瓷制品的釉上彩、釉下彩、瓷器色和精陶色釉[8]。
利用稀土可制得色彩丰富的颜料，如镨黄、饵红、铈蓝、钕紫、钇红等。
此外，稀土氧化物如Y2O3、La2O3。
、Nd2O3等作为添加剂、稳定剂和烧结助剂作用于Al2O3、Si3N4、ZrO2等结构陶瓷和介电、压电、导电陶瓷等功能陶瓷能极大地优化其性能、改善陶瓷的烧结性、致密度及强度，降低生产成本[9]。
如以Y2O3、Dy2O3为主要原料制得的耐高温透明陶瓷比日用陶瓷和无线电陶瓷性能优良得多，可用于火箭的红外窗和高温炉窗，还可用于微波技术、点真空技术、激光技术等。
2 新材料领域中的稀土材料稀土在新材料领域中的应用主要是以稀土高纯化合物为纽带，利用各种稀土功能材料制作成相关器具件。
特点是稀土在其功能材料中既是主材料又是制成的器具件的核心部分，能使器具件性能更为优异又节能环保[10]。
稀土的特异性能来自于它们独特的电子构型：[Xe]4f n6s2。
和[Xe]4f n-15d16s2。
随着原子序数的增大，稀土元素在基态时在内层的4f轨道中逐一填充电子，4f电子不同的运动方式使稀土具有不同于周期表中其他元素的物理和化学特性。
如：4f电子在不同的能级之间跃迁(f—f跃迁和f—d跃迁)，使得稀土元素具有独特的光学性质；由于4f轨道未填满，该轨道中的未成对电子可达到7个，故稀土元素大多具有良好的磁学性质；另外，在稀土与d过渡离子形成的层状结构的骨架中，稀土常可稳定形成有利于载流子输运的结构，所以稀土元素具有优异的电学性质。
目前，人们已经利用稀土元素的这些特殊性质研制出了一系列优良的材料，如光学材料、磁性材料、储氢材料、催化材料等。
2.1 稀土激光及发光材料稀土在激光材料中的应用发展迅速，稀土元素如Pr、Nd、Sm、Eu、Tb等能作为激光材料的基体或激活物质，现已成为激光材料中的重要元素，约9O%的激光材料都与稀土有关。
常见的稀土激光材料有掺Nd的钇铝石榴石晶体(Y2A13O12:Nd3+)和钕玻璃。
这种材料在激光照射时具有亮度高、相干性好等优点，广泛用于激光雷达、全息摄影、医疗、检测及防伪等方面。
稀土发光材料据其发光原理的不同,可分为阴极射线发光材料、光致发光材料和X射线发光材料。
彩色电视显像管中使用的红色荧光粉是阴极射线发光材料，主要原料为Y2O2S：Eu3+，当它受阴极射线作用时能被激发而发出红光。
含稀土元素离子的物质受外来光线激发而发光称为光致发光。
电视台和宾馆照明用的高级三基色灯中的三基色荧光粉就是此类发光材料，具有光色优异的自己特点，采用的原料是纯度大于99.99 %的稀土氧化物，如红粉为Y2O3：Eu3+，绿粉为：Ceo0.67Mg0.33Al11O19：Tb3+，蓝粉为BaMg2A116O27：Eu3+。
含稀土金属离子的物质受X射线激发而发光称为X射线发光，La2O3。
、Ce2O3。
、Gd2O3等是主要原料，并广泛应用于医疗(如CT探测器)和工业探伤中[3]。
2.2 稀土磁性材料2.2.1 稀土永磁材料永磁材料是指在一特定空间里可产生恒定磁场的材料。
稀土永磁材料到如今已发展到第三代：第一代为1：5型稀土-钴磁体：SmCo5；第二代为2:17型稀土-钴磁体Sm2Co17及延伸产品；第三代为稀土铁系永磁体：Nd2Fe14B、稀土铁氮(RE-Fe-N系)永磁体[11]，第四代正在研发之中。
稀土永磁材料的磁性能远远高于传统磁体，被誉为是“超级磁体”和“当代永磁之王”。
其中，钕铁硼(Nd2Fe14B)被称为“永磁王”，是目前磁性最高的永磁材料。
稀土永磁材料的使用不仅使电子设备的性能得到提升，还使设备向轻、薄、小型化发展。
如今，稀土永磁材料已成为电子技术通讯中的重要材料，广泛应用于人造卫星、雷达的行波管，以及微型电机、航空仪器、电子手表等电子仪器上，并在磁悬浮列车、医疗器械、家用电器、移动电话等方面有着广泛的应用。
用稀土永磁材料制成的电动机由于省电及体积小的特点已被中美日等确定为电动汽车马达的首选材料[12]。
2.2.2 稀土超磁致伸缩材料(GMM材料)稀土超磁致伸缩材料(简称GMM 材料)是一种高技术功能材料，也有人将其称为“智能材料”。
20世纪7O年代以来，人们研发出的GMM材料主要有2类：一是不同稀土元素和铁不同比例的化合物，如Sm0.85Dy0.15Fe2、Tb0.3Dy0.7Fe2、Pr0.15Ce0.85Fe2等。
二是尝试用Ce、Pr、Nd等轻稀土元素替代铽镝铁磁致伸缩合金(Tb-Dy-Fe合金)中的部分Tb或Dy，或者用Co、Ni、Mn等替换Fe。
GMM 材料具有在室温下磁致伸缩大(是压电陶瓷的5～20倍、镍钴合金的50倍)；能量密度大；能量转换效率高；响应速度快，响应频率低，磁滞后小等优点，目前多用于军事工业，如火箭燃料调节与控制、空间站与卫星控制等，它还能有效提高国防、航天航空等领域的技术装备水平，故被美国等西方国家列为对中国禁运的功能材料[13]。
2.2.3 稀土磁制冷材料我国在2010年禁止生产和使用氟利昂等氟氯碳和氢氟氯碳类化合物制冷剂，因此，研究开发新型无害的制冷剂是亟待解决的问题。
稀土磁制冷使用的是无害、无污染的稀土材料作为制冷工质(大部分为Gd或者Gd基合金)，具有制冷效率高、能量消耗低、无污染等优点。
目前有代表性的研究成果有美国Ames实验室研制的Gd-Si-Ge系列合金[14]，中国科学院物理所报道的La-Fe-Si系列合金[15]。