丰富多彩的稀土新材料宝库

现代社会的发展离不开材料，而材料的发展越来越离不开稀土，不仅占主导地位的钢铁需要稀土作为必须的添加剂，石油化工产品需要稀土催化剂，玻璃陶瓷需要稀土着色，而一些新兴的材料，往往以稀土作为主要成分，如稀土发光材料、储氢材料、磁制冷材料、磁致伸缩材料，目前发展迅速的激光材料、超导材料、光导纤维、燃料电池等也都离不开稀土。国际上稀土的需求每年增长6 %左右，单一稀土消费量在最近几年将由6000余吨增加到10000吨左右，从80年代到90年代新增加的一千多万种新化合物中，约10 %是与稀土有关的，稀土以其丰富的特性，被誉为现代工业生产的“维生素”，是名副其实的新材料的宝库。

一  给人类带来光明的稀土发光材料

在没有使用电灯以前，稀土曾经是人类的重要的照明材料之一，这就足以证明稀土的发光特性很早就被利用了，约200年前（1891年），奥地利的冯·韦尔斯巴赫（Carlauervon Welshbach）最先利用掺有少量硝酸铈的硝酸钍制成的汽灯纱罩作为照明工具。发展至今天。虽然改用了钨丝代替了碳丝作为光源的发光体，但制成的白炽灯发光效率仍是很低的，约每瓦十几个流明，至1942年研究出掺锰和锑的卤磷酸钙荧光粉，制成荧光灯即日光灯以后，发光效率比白炽灯提高了4～5倍，达每瓦45流明显色指数为65，开始了荧光（冷光）照明的时代。随着能源危机的出现，节能已成为迫切需要解决的问题。1971年有人提出了利用窄带的波长峰值分别为450，550和610 nm的蓝、绿和红三种基色混合，可以制得高光效、高显色性的荧光灯。由于铕Eu²⁺、铽Tb³⁺和铕Eu³⁺在不同的基质中发射的蓝、绿和红光正好符合上述的要求，在1974年就研制成节能的稀土三基色灯。目前，利用掺铕的多铝酸盐发射的蓝光、掺铽的多铝酸盐发射的绿光、掺铕的氧化钇发射的红光制成稀土三基色灯，发光效率可提高至每瓦80流明，显色指数也高于上诉的普通荧光灯，可达>80。这种稀土节能荧光灯具有高照度、高节电、高显色、高寿命且结构紧凑等特点的新一代光源。使用这种灯节电可达80 %，一只12瓦的稀土荧光灯可以代替一只60瓦的普通日光灯。70年代以来，稀土荧光灯在国外开始得到迅速发展。目前，西欧年产8000万只，占电光源总产量的40 %；日本年产量为10000万只，占电光源总产量的20 %以上；我国年产量1200万只，仅占电光源总产量的0.5 %。近几年来，国内已开发了十几个品种，十几个规格的稀土节能灯，产品已成系列化，质量不断提高。我国能源缺口大，电力一直紧张，目前照明用电量约占总发电量的7 %因此开发和推广应用稀土节能荧光灯以节约照明用电，潜力是很大的。全国大约有15亿只白炽灯，若能有6 %改为稀土节能荧光灯，即为8000万只，总节电可达38.4亿千瓦时，相当于一座75万千瓦电厂一年的发电量，效益是十分可观的，因此，国家已经把稀土节能灯列入重点攻关项目。

利用稀土还可以制成显色指数很高的荧光灯，可用于需要高显色性照明的地方（如在纺织和画展等场合），人物在灯光照耀下所呈现的颜色类似于在日光下的颜色。当夜幕降临的时候，人们漫步在马路上，可以看到在马路两旁的电灯杆上悬挂的高压汞灯，把马路照得通明。高压汞灯灯泡内涂有一层白色的荧光粉，这就是掺铕的钒酸钇，利用它发射的红色荧光，可调整高压汞灯发射的光色，改善了显色性，减少了人物被照射时呈现青紫而失真的现象。现在，彩色电视已经进入了千家万户，在彩色电视的荧光屏上观察到的五彩缤纷的颜色是由红、绿、蓝三种基色组成的。60年代中期，发现掺铕的氧化钇在阴极射线激发下发射出谱线窄、亮度高而鲜艳的红色荧光，很是很适合作为彩色电视中的红色荧光粉，目前已大量生产使用。随着大屏幕彩色投影电视的出现，不仅是发射红光的荧光粉需要使用稀土如掺铕的氧化钇，发射绿光的荧光粉也需要使用稀土，如掺铽的钇铝石榴石，或钇铝镓石榴石，掺铽的正硅酸钇，或掺铽的硼酸铟等。

信息的传递离不开激光，激光与稀土激光材料是同时诞生的。自从1960年发现红宝石激光以来，同年就发现用掺钐的氟化钙可输出脉冲激光，这对稀土光学性质的研究是一个很大的推动。1964年研究出激光性能优异的掺钕的钇铝石榴石激光晶体，目前在国内外被广泛应用，在开拓新的激光波段和寻找新的材料方面取得了很大的进展。到目前为止，已有11个三价稀土离子（Ce，Pr，Nd，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb）和3个二价稀土离子（Sm，Dy，Tm）实现了激光输出。介质可以是固体（晶体和非晶态玻璃），液体（有机螯合物和无机非质子溶剂）和气体（金属和分子蒸汽），利用了48个4f－4f跃进通道。激光的光谱覆盖范围可从紫外的0.17微米至红外的5.15微米。目前已知有320种激光晶体，其中掺稀土的有290种，占90 %以上。稀土成了寻找和发展固体激光器的主要对象。制成的激光器尺寸可小至集成光学用的薄膜或细纤维（使用高稀土浓度的激光材料），大至研究热核聚变和等离子物理用的大直径、高功率的钕玻璃棒或盘。目前除已广泛使用的波长为1.06微米的掺钕激光材料以外，为了应用稀土的新波段，美、俄正在开拓对人类无害的可通过大气窗口的或在光纤中传输时损耗小的掺铒或掺钬的红外波段（如1.5微米）；开拓具有宽谱带，可调谐的掺铈的激光材料；开拓可在水下透过的掺铈或谱等的蓝绿色波段（0.48微米）激光器等。稀土可以形成多种激光晶体的基质化合物，包括氟化物、络氟化物、无序络氟化物、氧化物、硫氧化物、铝酸盐、石榴石、硅酸盐、锗酸盐、磷酸盐、钒酸盐、钨酸盐、钽酸盐等。稀土还可以构成许多激光玻璃，稀土激光玻璃材料易于制备和加工成棒、圆盘、纤维，光学性质可调。此外，稀土还可以制成脉冲能量最大、输出功率最高的固体激光器。（待续）