稀土元素是典型的金屬，具有金屬的通性，延展性好，能夠導熱、導電，其電子能級和譜線較普通元素更多種多樣，它們可以吸收和發射從紫外、可見到紅外譜區各種波長的電磁輻射，僅釓原子的某個激發態就有多達36000個能級。稀土元素4f亞層未成對電子與其他元素外層電子如d電子間的相互作用，形成豐富多彩、性能各異的稀土材料系列，其中杰出的發光性能和獨特的磁學性質是稀土元素所具有的兩大突出特性。被稱為“工業黃金”也不為的稀土材料，在軍事、冶金、石油化工、新材料等方面都有不可替代的作用。下文小編與大家一起盤點一下，稀土材料的應用領域~

▲鈧、釔與鑭系15種元素共17種元素總稱為稀土元素（RE）。“輕稀土元素”指原子序數較小的鈧Sc、釔Y和鑭La、鈰Ce、鐠Pr、釹Nd、钷Pm、釤Sm、銪Eu；“重稀土元素”原子序數比較大的釓Gd、鋱Tb、鏑Dy、鈥Ho、鉺Er、銩Tm、鐿Yb、镥Lu。我國稀土資源分南（輕）北（中重稀土）兩大塊。

1、稀土永磁材料

在眾多稀土新材料中，稀土永磁材料的發展速度和產業規模皆居前列。稀土永磁材料是眾多磁功能器件的物質基礎，已成為電子技術通訊中的重要材料，其應用程度是一個國家和地區科學研究水平和應用技術高低的一個重要標志。稀土和智能手機看起來毫無聯系，實際上，應用于聲學、自動對焦、振鈴、傳感器等，一臺智能手機用到超過10塊稀土“磁石”--釹鐵硼永磁體；制造一臺新型電動汽車更能需要近百塊稀土永磁體；直驅永磁風力發電機其核心材料為釹鐵硼永磁體，經技術人員測算，一臺1.5WM的直驅使用釹鐵硼永磁體達到1.2噸；“十三五”期間，城市軌道交通規劃線路總規模為7305.3公里，若全部采用永磁牽引系統，大約需要釹鐵硼1827噸，我國軌道交通對釹鐵硼的總需求約4577噸；工業機器人市場在不斷擴大中，工業機器人核心零部件為控制器、永磁同步伺服電機、減速器，而制造一臺165kg焊接機器人需要消耗25公斤高性能釹鐵硼。

稀土永磁材料按開發應用時間可分為第一代釤鈷（SmCo5）、第二代釤鈷（Sm2Co17）和第三代釹鐵硼（Nd2Fe14B）稀土永磁材料。

潛力領域--新能源汽車。汽車行業是稀土永磁材料的第一大消費領域。全球新能源車需求爆發，帶動了稀土永磁材料需求的快速增長。據IEA《全球電動汽車展望》假如到2030年，全球純電動車到1.45億輛，預計消耗高性能釹鐵硼在43.5萬噸，消耗氧化鐠釹13萬噸；如果到2.3億輛，預計將消耗高性能釹鐵硼69萬噸，消耗氧化鐠釹20.7萬噸。2021年氧化鐠釹全球供應量預計在7萬噸，純電動車按照400萬輛算，氧化鐠釹消耗量在3600噸，未來純電動汽車對于鐠釹的需求大幅增加。

▲稀土永磁驅動電機作為新能源汽車的核心部件，可以大幅減輕電機重量、縮小電機尺寸、提高工作效率，特斯拉大眾版車型Model3已全部采用稀土永磁電機。

家電行業為稀土永磁材料的第二大消費體：受益于低碳環保之風，節能變頻空調與節能電梯滲透率不斷提高。

2、先進陶瓷助燒結劑

陶瓷材料一般具有較高的燒結溫度，很難直接通過純相燒結達到致密化，當加入燒結助劑后，由于它在高溫下可以生成液相，就能使得燒結溫度大為降低，從而獲得燒結致密的陶瓷材料。而稀土氧化物高溫揮發性弱，可以在高溫下與其他原料生成穩定的液相，甚至可以形成固溶體，從而促進陶瓷材料的燒結，因此作為有效的燒結助劑已經獲得了廣泛應用。

氮化物是難以燒結的材料，但是如果加入一些氧化釔（Y2O3）作為助劑，則可以獲得致密且堅固的燒結體，應用案例如新能源汽車上用的高導熱率的氮化鋁（AIN）、氮化硅（Si3N4)基板材料。

▲氮化硅陶瓷基板

3、抗等離子體腐蝕涂層

在硅晶片的制造過程中，干法刻蝕是重要的環節之一。通常是利用等離子體來對晶圓進行轟擊，同時活性原子或原子團與晶圓材料反應，生成揮發性的物質被真空系統帶走，從而達到刻蝕的目的。但在生產過程中，氟等離子體同樣會對刻蝕腔內器件造成侵蝕，導致設備零部件壽命降低，維護成本升高。同時，形成的刻蝕產物以懸浮微粒的形式從內壁脫落，彌散在腔體中，也會導致晶圓污染，成品率下降。因此應當提高刻蝕腔內零部件的耐等離子刻蝕性能。

▲球形的稀土氧化物顆粒適合于CIP成型和熱噴涂

來源：NIPPONYTTRIUMCO.,LTD

研究表明氧化釔陶瓷具有優異的耐等離子刻蝕性能力，造粒氧化釔涂層具有優良的電氣絕緣和抗等離子體腐蝕性，可應用于半導體制造中的等離子蝕刻機防護涂層。

4、多層陶瓷電容器MLCC低溫燒結改性添加劑

MLCC是目前世界上用量最大、發展最迅速的片式元器件之一。MLCC不斷向微型化、高疊層、高可靠性和低成本方向發展，這對工藝技術、工藝設備及原材料制備都提出了很高的要求。

BaTiO3是典型的鐵電材料，是一種重要的電子陶瓷材料，廣泛用在如陶瓷電容器、正溫度系數的熱敏電阻、壓電和鐵電器件等各種電子元件中。而正是它在室溫下具有高的介電常數和低的介電損耗，是作為片式多層陶瓷電容（Multiplayer Ceramic Chip Ca-pacitors，英文縮寫MLCC）的優良陶瓷介質材料。但隨著作為內電極的鈀價格不斷攀升，為降低MLCC產品的成本，采用摻入熔點低的銀，因而減少鈀的含量以及滿足低溫共燒技術（LTCC）就必須實現鈦酸鋇基陶瓷的低溫燒結。況且燒結溫度高不僅會促進陶瓷晶粒長大，導致陶瓷介電常數降低，也會增加能量消耗，減少設備的使用壽命。因此鈦酸鋇基陶瓷的低溫下燒結具有很重要的實際意義。

▲多層陶瓷電容器MLCC

除了介電常數，絕緣電阻也是MLCC產品介電性能的重要衡量指標之一，它影響著電容的電容量大小，絕緣電阻率越高，電容量就越高，單位體積內能存儲的電量也越多。在MLCC產品工藝里邊影響絕緣電阻的因素不僅包括了外界的工藝條件和電容的構造，最重要的是還包括了MLCC產品陶瓷材料的品質。加入燒結助劑來降低燒結溫度是使用最多也是最有效的一種方法，但而添加玻璃相助燒劑后的樣品的絕緣電阻普遍偏低，往往難以滿足應用要求。通過多種稀土金屬氧化物（SmO3、YbO、CeO和GdO）摻雜，可以改善基料的絕緣電阻和介電損耗。

5、稀土儲氫材料-鎳氫電池負極

氫作為二次能源，關鍵是解決氫的高密度安全儲存問題。目前主要用液態氫的高壓容器儲存法，但最好的方法是利用儲氫材料。稀土儲氫材料目前主要有兩個應用方向，鎳氫電池和儲氫裝置。鎳氫電池廣泛用于混合動力汽車、電動工具及工業和民用電池。鎳氫蓄電池是目前大部分商業化的混合動力汽車（例如豐田普銳斯）非常重要的組成部分。

▲古老的鎳氫電池有這些優點：大功率放電，低溫性能好（-40℃下也可順利充放電），抗過充過放能力強，循環壽命長

眾所周知，作為鎳氫電池的負極材料，儲氫合金是制約其性能的關鍵因素。根據材料成分和結構的不同，目前研究和開發應用中的儲氫電極合金主要可分為四種類型：稀土系AB5儲氫合金，AB2型Laves相合金，Mg基合金和V基固溶體型合金。根據晶體結構的特點，目前開發較多的金屬儲氫材料可分為：以LaNis為代表的稀土系AB5型（CaCus結構）；鋯、鈦系Laves相AB2型（MgCu2或MgZn2結構）；鈦系AB型（CsCl結構）以及鎂系A2B、AB3型等幾種。其中稀土系AB5儲氫合金和AB2型Laves相合金作為Ni/MH電池用負極材料已實現商業化生產。

6、固體氧化物型燃料電池SOFC

固體氧化物燃料電池（solidoxidefuelcell，SOFC）是最高效率的燃料電池，也稱作陶瓷燃料電池，是一種在中高溫下將各種燃料氣（天然氣、垃圾填埋氣、煤氣、甲醇等）的化學能高效地轉化為電能的全固態燃料電池。SOFC由電解質（陶瓷材料）、陽/陰極、連接體（陶瓷或合金）構成單電池，再由多個單電池構成電堆。

氧化釔穩定氧化鋯(YSZ)材料廣泛用作SOFC技術中的致密電解質，為電解質，在高溫下（900-1000℃）傳遞O^2-，在電池中起著傳導O^2-、分隔氧化劑和燃料的作用。

7、稀土鎂合金

稀土鎂合金指含有稀土元素的鎂合金，是近年來材料領域的研究熱點之一。與其他金屬結構材料相比，鎂合金具有密度低，比強度、比剛度高，減震性能好，電磁屏蔽能力強，尺寸穩定，資源豐富，鑄造性能、阻尼性能、切削加工性能好以及容易回收，對環境無污染等一系列優點，被譽為是“21世紀綠色環保工程材料”。被廣泛應用在交通、制造、3C電子和航空航天等領域。不過鎂合金也有絕對強度低，高溫下力學性能較差，室溫變形加困難，易腐蝕等缺點。

在汽車工業的應用。從20世紀90年代開始，鎂合金廣泛應用于汽車工業。高性能稀土鎂合金主要用于汽車發動機殼體、變速箱殼體、發動機氣缸蓋等零部件中。福特、通用、戴姆勒—克萊斯勒、奔馳、大眾、豐田、菲亞特—阿爾法等汽車公司紛紛采用稀土壓鑄鎂合金。豐田汽車的方向盤加裝安全氣囊后質量增加，采用AM60B壓鑄鎂合金后，與鋼制品、鋁制品相比，質量減少了45%和15%，并減少了轉向系統的震動。中國奇瑞汽車已100%采用鎂合金方向盤，并力爭實現單車鎂合金達到30kg。中國一汽和中國科學院長春應用化學研究所（下稱“長春應化所”）合作開發高性能稀土鎂合金，已經形成年產1500噸鎂合金壓鑄件(包括輪轂、發動機殼體、變速箱殼體等)的批量生產能力，建成了我國最大的高性能稀土鎂合金產業化示范基地，批量生產耐熱、抗蠕變的稀土鎂合金汽車發動機缸蓋。

3C產品。目前，IBM、戴爾、蘋果、東芝、松下和索尼等公司生產的筆記本電腦、手機、照相機、攝像機等的外殼廣泛使用稀土壓鑄鎂合金，提高了外殼的強度和剛度，減少了電磁波對人體的輻射，其中，應用最為廣泛的是AZ91D鎂合金。

▲鎂合金的本本就是輕便，誰用誰知道

軍工方面的以應用。鎂合金是減輕武器裝備質量，實現武器裝備輕量化，提高武器裝備各項性能的理想結構材料。武器裝備的需要,推動了高性能鎂合金材料及應用技術開發的發展。在軍工方面，以稀土金屬釹為主要添加元素的ZM6鑄造鎂合金已用于直升機減速機匣、殲擊機翼肋及30kW發電機的轉子引線壓板等重要零件。

8、汽車尾氣催化劑

為了使汽油汽車尾氣中所含的未能完全燃燒的碳氫化合物（CxHy），一氧化碳（CO）和氮氧化物（NOx）變為無害的CO2和N2來排放，要用到鉑和銠等貴金屬。為了穩定其效果，要添加以氧化鈰（CeO2）為主的氧化物（稱為助催化劑）。由于CeO2可以儲存氧氣，因此可以應對廢氣中氧氣濃度的變化來幫助燃燒有害物質。

9、高溫超導材料

高溫超導體并不是大多數人認為的幾百幾千的高溫，只是相對原來超導所需的超低溫高許多的溫度，通常是指在液氮溫度（77K）以上超導的材料。液氮溫度以上釔鋇銅氧超導體的發現，使得普通的物理實驗室具備了進行超導實驗的條件。高溫超導體包括四大類：90K的稀土系，110K的鉍系，125K的鉈系，和135K的汞系。

釔鋇銅氧超導體和鉍系超導體已制成了高質量的超導電纜。核磁共振（NMR）裝置和核磁共振成像（MRI）裝置使用超導磁鐵，磁場強度越高，裝置的性能（靈敏度和分辨率）就越高。目前實現實用化的NMR裝置和MRI裝置使用鈦（Nb）系金屬低溫超導線材，但受線材的物理特性限制，預計最大只能產生24特斯拉左右的磁場。而稀土（RE）系和鉍（Bi）系銅氧化物高溫超導線材被認為在大幅超過24特斯拉的強磁場中也能保持超導狀態。

10、中子吸收材料

釓通常以氧化釓（GdO3）的形式存在，利用GdO良好的中子吸收性和耐高溫性，可將其用作核反應堆中的中子吸收材料。釓吸收熱中子的能力非常高，因此被用作控制核裂變的材料。另外，涂有氧化釓的墻壁和基材以及釓箔都是熱中子吸收材料。用數十至數百μm厚的涂膜或箔片就可吸收熱中子從而防止放射線泄漏，未來厚屏蔽墻或許不再需要。

11、稀土光學玻璃

稀土光學玻璃主要是指含有稀土氧化物的硼酸鹽和硅酸鹽系統的光學玻璃。在普通光學玻璃中加入稀土元素對玻璃的光學特性會產生很大的影響。在普通光學玻璃中加入稀土元素能形成具有特殊性質的特種玻璃，即稀土光學玻璃。

眾所周知，折射率是光學材料的一個重要指標，對光學元件設計和應用有關鍵的影響。稀土元素光學玻璃有很高的折射率，為光學鏡頭的設計開辟新的可能性。今日大孔徑鏡頭中多有鑭玻璃。（釷玻璃也曾被使用，但因有放射性，已停止生產）

▲稀土玻璃徠卡鏡頭

除了用于光學鏡頭鏡頭外，用稀土元素的氧化物也可以作為高級有色玻璃的著色劑。

▲來源：NIPPONYTTRIUMCO.,LTD

12、激光晶體和熒光材料

稀土能吸收特定的波長的波并發光。利用這種性能，稀土作為激光晶體和熒光材料被廣泛應用。比如用于加工等各種用途的Nd激光器（1.06μm），也有用于通信的Er激光器（1.5μm），還有用于醫療的Er激光器（2.9μm）。熒光材料也途廣泛（如顯像管、熒光燈等）而且已有很長的使用史。近些年Ce：YAG（黃色）等則用于白光LED。

▲釔鋁石榴石(YAG)LED熒光粉

參考來源：

1、NIPPON YTTRIUM CO.,LTD

2、張文毓.高性能稀土鎂合金研究與應用[J].稀土信息,2018(04):8-13.

3、左洋.低溫燒結溫度穩定型鈦酸鋇基介質材料[D].電子科技大學,2011.

粉體圈編輯：Alpha

本文為粉體圈原創作品，未經許可，不得轉載，也不得歪曲、篡改或復制本文內容，否則本公司將依法追究法律責任。