摘要 介绍了稀土的成分、赋存状态，稀土元素在金属冶炼、新型材料、玻璃陶瓷、催化剂、农业、军事等方面的重要应用以及我国稀土资源的开发现状，并简述了稀土对我国经济发展的重要性。
关键词 稀土 稀土元素 稀土成分 广泛应用 开发现状
稀土作为21世纪重要的战略资源，被称为现代工业的“味精”，其在新材料开发、信息产业、生物工程、国防战略武器上应用越来越广泛。比如它可以大幅度提高用于制造坦克、飞机、导弹的钢材、铝合金、镁合金、钛合金的战术性能。而且，稀土在电子、激光、核工业、超导等诸多高科技工业更是必不可少的。我国作为世界第一大稀土资源国，在21世纪这个以科技发展为主导的时代如何打好稀土资源这张牌，对我国经济发展意义重大。何谓稀土、稀土元素，稀土的成分和类别是什么，有何应用和重要性等等，本文对此进行相关介绍。
1 稀土的成分及其赋存状态
1.1 何谓稀土、稀土元素
稀土并不是土，关于它的定义一般有两种观点。一种观点认为稀土元素简称为稀土[1]。这是一种比较普遍的说法。另一种观点认为将稀土元素的氧化物，更确切的说，三氧化二物，命名为稀土[2]。这一说法与稀土的发现历史有关，稀土元素是从18世纪末开始陆续发现的，由于这一系列元素最初是以氧化物的形式从相当稀少的矿物中发现并分离出来的，而当时人们常把这些不溶于水的固体氧化物称为土，又很稀少，因而就把它们称为稀土。
1.2 稀土的成分及分类
从原子序数为57的镧(La)至原子序数为71的镥(Lu)的15个“镧系元素”，以及化学性质跟它们近似的同属周期表中ⅢB的钪(Sc)和钇(Y)共17个元素被称为稀土元素，或称稀土金属，常用RE表示。
通常把镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕称为轻稀土或铈组稀土；把钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钇称为重稀土或钇组稀土。除了这种分类，也有的根据稀土元素物理化学性质的相似性和差异性，除钪之外(有的将钪划归稀散元素)，划分成三组，即轻稀土组为镧、铈、镨、钕、钷；中稀土组为钐、铕、钆、铽、镝；重稀土组为钬、铒、铥、镱、镥、钇[3]。
1.3 稀土的赋存状态
稀土元素在地壳中主要以矿物形式存在，且它们在地壳中的含量比某些常见金属元素还要高，所以它们名为“稀土”，实际上并不稀少。稀土元素的赋存状态主要有三种[4]：
（1）作为矿物的基本组成元素，稀土以离子化合物形式赋存于矿物晶格中，构成矿物的必不可少的成分。这类矿物通常称为稀土矿物，如独居石、氟碳铈矿等。
（2）作为矿物的杂质元素，以类质同象置换的形式，分散于造岩矿物和稀有金属矿物中，这类矿物可称为含有稀土元素的矿物，如磷灰石、萤石等。
（3）呈离子状态被吸附于某些矿物的表面或颗粒间。这类矿物主要是各种粘土矿物、云母类矿物。这类状态的稀土元素很容易提取。
常见的稀土矿物有：氟碳铈矿（CeCO3F）、独居石（CePO4）、磷钇矿（YPO4）、氟菱钙铈矿（Ce2Ca(CO3)3F2）、硅铍钇矿（Y2FeBe2(SiO4)2O2）、易解石（(Ce,Th,Y)(Ti,Nb)2O6）、铈铌钙钛矿（(Na,Ce,Ca)(Ti,Nb)O3）、复稀金矿（(Y,U,Th)(Ti,Nb)2O6）、黑稀金矿（(Y,U)( Nb,Ti)2O6）、褐钇铌矿（YNbO4）等，它们的部分化学和物理性质如表1所示。
表1 部分稀土矿的化学和物理性质表[5]
矿物
名称 化学性质 物理性质
REO
% 可溶性 密度
g/cm3 硬度 比磁化系数*10-6 cm3/g 介电
常数 晶形
氟碳
铈矿 74.77 溶于HCl 4.72
~5.12 4.0
~5.2 12.59
~10.19 5.65
~6.90 三方晶系
独居石 67.76 溶于H2SO4、HCl、H3PO4,微溶于NaOH 4.83
~5.42 5.0
~5.5 12.75
~10.58 4.45
~6.69 单斜晶系
磷钇矿 63.23 溶于H2SO4、H3PO4,微溶于NaOH 4.40
~4.80 4.0
~5.0 31.28
~26.07 8.10 正方晶系
氟菱钙
铈矿 60.30 溶于H2SO4、HCl、HNO3 4.20
~4.50 4.2
~4.6 14.37
~11.56 三方晶系
硅铍
钇矿 51.51 溶于HCl, 微溶于NaOH 4.00
~4.65 6.5
~7.0 62.50
~49.38 单斜晶系
易解石 29.36 溶于H2SO4、H3PO4,易溶于HF、H2SO4+(NH4)2SO4 5.00
~5.40 4.5
~6.5 18.04
~12.94 4.40
~4.80 斜方晶系
铈铌钙
钛矿 28.71 不溶于H2SO4、HCl、
HNO3,溶于HF 4.58
~4.89 5.8
~6.3 6.54
~5.23 5.56
~7.84 等轴晶系
复稀
金矿 29.28
~33.43 溶于H2SO4、H3PO4、HF 4.28
~5.05 4.5
~5.5 21.05
~18.00 斜方晶系
黑稀
金矿 20.82
~29.93 溶于H2SO4、H3PO4、HF 4.20
~5.87 5.5
~6.5 27.38
~18.41 3.70
~5.29 斜方晶系
褐钇
铌矿 39.94 溶于H2SO4、HNO3 4.89
~5.82 5.5
~6.5 29.20
~21.16 4.50
~16.0 四方晶系
注：“REO”表示为稀土元素的氧化物。
2 稀土的广泛应用
稀土家族的17个成员各具特异的光、电、磁和催化等物理和化学性能，它们在很多领域都发挥着巨大的作用。尤其是近几十年来，稀土元素更是在金属冶炼、新型材料、玻璃陶瓷、催化剂、农业、军事等领域起着不可替代的作用，成为了各国科技和经济发展的关键。
2.1 稀土在钢铁冶炼中的应用
在铸铁、碳钢中加入稀土元素或稀土金属氧化物能不同程度地改变原金属晶体的结构和形态，使钢锭表面质量改善，宏观组织致密，内部晶粒细化，降低内部夹杂物的含量并改善夹杂物的形态和分布，且稀土原子还减少了碳、氮原子对晶体位错的钉扎作用，故能改善合金的力学性能[6]。从而增强了合金的塑性、韧性及冲击值，也使合金的机械性和耐腐蚀性得到了显著提高。
我国用稀土处理钢有80多个牌号，年生产总量60万吨。但大量应用稀土的钢种只有十几种，主要钢种包括铜磷系耐大气腐蚀钢、锰铌系低合金高强度钢、X系管线钢、铌稀土重轨钢等。这些钢被广泛应用在建筑、铁路、车辆制造、轴承等方面。
2.2 稀土在有色金属中的应用
稀土是一组原子半径较大、化学性质极为活泼的元素，将其加入到有色金属及其合金中，可以起到细化晶粒、防止偏析、消除气孔、去除杂质和改善金相组织等作用，从而在一定程度上改善它们的机械性能、物理化学性能和加工性能等，因此常常能延长材料的使用寿命，降低金属的消耗量，起到以质补量的作用[7]。
我国关于稀土在有色金属中的应用研究开始于50年代末，但发展较为缓慢。直到80年代发展速度才逐渐加快，到目前为止，稀土在铝、镁、铜、锌和贵金属等中的应用研究都取得了长足的进展。尤其是稀土铝合金和稀土镁合金在电线、建筑、航空航天、医学工程等方面应用十分广泛。
2.3 稀土在磁性材料中的应用
稀土在磁性材料的应用主要有稀土永磁材料、稀土磁光材料以及稀土超磁致伸缩材料等。
稀土永磁主要是指钕铁硼系永磁材料、钐钴永磁材料和稀土铁氮系永磁材料。稀土永磁材料具有广泛的应用领域，从军事到民用，从低档传统产业到高新技术产业，都离不开它们的身影。例如其高科技用途包括DVD/CD存储器、CD拾音器、电动自行车（EB）和电动助力车（EAV）等；传统领域的应用包括扬声器、磁分离器和磁化器，乃至服装、箱包用的磁性纽扣或家具上的门吸等。
磁光材料是指在紫外到红外波段具有磁光效应的光信息功能材料。利用这种材料的磁光特性以及光、电、磁的相互作用和转换，可制成各种功能的光学器件。如调制器、光隔离器、光信息处理机、光磁头、磁光盘等等[8]。
通常的磁致伸缩材料为镍、铁等金属或合金。由于伸缩值较小，功率不高，所以应用面较窄。稀土——铁系金属间化合物具有比镍、铁等大的多磁致伸缩值，并且机械响应快、功率高，所以称为稀土超磁致伸缩材料。可广泛用于声纳系统、大功率超声波器件、精密控制系统、各种精密阀门、发动机燃料喷射系统驱动器等，是一种具有广阔发展前景的稀土功能材料[9]。
2.4 稀土在发光材料中的应用
由于稀土离子具有丰富的能级和4f电子跃迁特性，因而稀土元素大多具有优异的发光性能。稀土发光材料是利用铕、铽、钬、铒、铥等元素的独特光电性质，制造出的具有发光效率高、节能、环保、寿命长等一系列优良性能的发光材料。其应用范围涉及稀土节能灯、显示仪、光电器件、现代医疗电子设备等多个领域。
2.5 稀土在储氢材料中的应用
近年来，氢能源作为一种高效、无毒无污染的二次能源越来越受到人们的关注，而随之而来的就是氢的高密度安全储存问题。储氢材料是一种在通常条件下能大量地吸收氢和放出氢的合金，它主要有稀土系、钛系和镁系，其中稀土储氢合金由于在镍氢电池方面的应用而得到了高速的发展[10]。镍氢电池是一种高能蓄电池，具有容量大、寿命长、可快充放、使用安全、无污染、与镍镉电池可互换等特点。目前已广泛应用于移动通讯、笔记本电脑、摄像机、电动工具等各种便携式电器中。近年来，随着电动汽车的开发和推广，车用镍氢动力电池的需求量大增，这必将进一步促进稀土储氢材料的发展。
2.6 稀土在玻璃、陶瓷中的应用
玻璃中添加稀土氧化物可以制得不同用途的光学玻璃和特种玻璃，其中包括能通过红外线、吸收紫外线的玻璃、耐酸及耐热的玻璃、防X－射线的玻璃等。而且在熔制玻璃过程中，可利用二氧化铈对铁有很强的氧化作用，降低玻璃中的铁含量，以达到脱除玻璃中绿色的目的。稀土氧化物或经过加工处理的稀土精矿，则可作为抛光粉广泛用于光学玻璃、显示器、光学器件等的抛光。
在陶釉和瓷釉中添加稀土，可以减轻釉的碎裂性，并能使制品呈现不同的颜色和光泽，因此稀土也被广泛用于陶瓷工业。
2.7 稀土在催化剂中的应用
稀土催化材料具有良好的助催化性能，采用稀土作为助催化剂，可以有效提高催化剂的性能并减少贵金属的消耗量。目前已形成石油化工催化剂、汽车尾气净化催化剂、柴油清洁添加剂、天然气催化燃烧材料、有机废气净化催化剂、固体氧化物燃料电池（SOFC）催化材料以及合成橡胶稀土催化剂等多种产品，成为石化、环境、能源、化工等催化应用领域不可或缺的重要组分。
2.8 稀土在农业中的应用
稀土在农业方面的应用前景非常广阔。有研究表明，稀土元素可以提高植物的叶绿素含量，增强光合作用，促进根系发育，增加根系对养分的吸收。此外，稀土还能促进种子萌发，提高种子发芽率，促进幼苗生长。除了以上主要作用外，稀土还具有使某些作物增强抗病、抗寒、抗旱的能力。在化肥中添加稀土元素可以制得稀土复合肥、稀土微肥、稀土有机肥等肥料，这样更推广了稀土在农业中的应用，对我国农业的发展意义重大。
2.9 稀土在军事中的应用
稀土有工业“黄金”之称，由于其具有优良的光电磁等物理特性,能与其他材料组成性能各异、品种繁多的新型材料，其最显著的功能就是大幅度提高其他产品的质量和性能。比如大幅度提高用于制造坦克、飞机、导弹的钢材、铝合金、镁合金、钛合金的战术性能。与传统兵器相比，现代高技术兵器的优点在于其更方便、更灵敏、更准确、更容易操纵。这些优点集中体现了当今材料科学、电子科学以及工程制造的诸多最高成就，而这些成就的获得往往是源于稀土的某些特殊功能的发现和应用。例如，超音速飞机强大的发动机以及轻而坚固的机身就大量使用了稀土科技制造的特种材料；美国爱国者导弹的精确制导系统中也使用了大约4 kg的钐钴磁体和钕铁硼磁体用于电子束聚焦；美制M1坦克装备的掺钕钇铝石榴石的激光测距机，使其在晴朗的白天可以达到近4000 m的观瞄距离；现代夜间作战的必备装备夜视仪中也加入了稀土元素——镧。由此可见，正是稀土元素的应用带来了现代军事科技的跃升。
3 我国稀土资源的开发现状
我国是名副其实的世界第一大稀土资源国，已探明的稀土资源量约6588万吨，储量占全球的36.52%。“中东有石油，中国有稀土。”这是邓小平1992年南巡时说的一句名言，可见，稀土具有何等重要的经济和战略意义。然而，在发达国家先后将稀土视为战略资源，并有所行动的时候，稀土在中国更多只被看作是换取外汇的普通商品。2009年，中国稀土产量12.48万吨，供应了全球95%以上的需求。随着我国下调稀土出口配额，继美国和欧盟之后，日本最近也要求中国增加稀土出口。如何保护、开发和利用有限的稀土资源，一时成为热门话题。
近年来，随着我国稀土工业的发展，面临的问题也越来越多：资源浪费和流失现象严重；稀土工厂规模偏小而且市场竞争力低；稀土生产装备落后和自动化水平不高；产品质量不稳定，品种单一及技术含量低；缺少科技研究与资金投入；稀土矿和分离厂盲目上马，产品供大于求；国内稀土应用量增长幅度有限；对环境破坏严重等[11]。正是由于这些原因以及国家宏观调控不到位，导致中国在拥有对稀土资源垄断性控制的同时，却并未成为稀土开发大国，中国稀土科技远远落后于发达国家。鉴于稀土在提升军事科技和经济方面的显著作用，如果任由这种趋势发展下去，必然不利于我国以后的可持续发展。
4 结束语
进入21世纪，稀土的应用领域会越来越广，稀土已经被称为“21世纪的经济武器”。我国作为世界第一大稀土资源国，具有天然的优势，那么如何保护、开发和利用稀土资源，就对我国国民经济发展具有举足轻重的作用了。面对我国稀土工业目前存在的一些问题，只有坚持走全面、协调、可持续发展的道路，加大科技研究投入，我国的稀土工业发展才会进入良性循环，这也是化学工作者和研究者思考的课题。
参考文献
[1] 武汉大学化学系等. 稀土元素分析化学(上册). 北京: 辞学出版社，1981: 1
[2] Х.М.米纳切夫, Ю.С.霍达科夫, Г.В.安托申, М.А.马尔科夫. 稀土在催化中的应用. 北京: 辞学出版社, 1987: 5
[3] 稀土.http://www.cnkikbs.com
[4] 稀土.http://www.hudong.com/wiki/%E7%A8%80%E5%9C%9F. 2011-1-8
[5] 稀土化学和物理性质.http://www.mining120.com/resource/thulium/xingzhi.asp. 2011-1-8
[6] 崔炜, 田沂川. 稀土元素在冶金工业中的应用. 河南冶金, 1994, (03): 31
[7] 汪良宣. 我国近十年来稀土在有色金属中应用之发展. 中国稀土学报, 1995，(S1) : 390-393
[8][9] 李振宏，伍虹. 我国稀土应用的现状与前景. 稀土，1996，(06): 49
[10] 肖荣晖. 稀土储氢合金的生产及其在镍氢电池中的应用. 有色冶炼, 2000, (04): 6
[11] 刘秀华,陶应发. 我国稀土产业的可持续发展研究. 2007中国科协年会专题论坛暨第四届湖北科技论坛优秀论文集, 2007: 257
|
