Магнитные материалы, электротехника, электроника, оптика, светотехника и другие физические области применения лантанид о в [1, 10, 11]

Редкоземельные элементы широко внедряются в настоящее время в электронику и радиотехнику, в технику для сверхнизких температур, сверхпроводники, магнитные материалы и материалы квантовой электроники.

Производство постоянных магнитов является сегодня самой динамично развивающейся сферой их потребления. Разработка самарий-кобальтовых сплавов (интерметаллических соединений с большой константой магнитокристаллической анизотропии) в 1960—1970 гг. стимулировала расширение работ по поиску новых магнитных материалов, в результате чего в середине восьмидесятых были установлены выдающиеся магнитные характеристики соединения Nd2Fe14B. Сплавы на основе этого соединения обладают вдвое большей магнитной энергией, чем самарий-кобальтовые магниты, и имеют высокую устойчивость к размагничиванию. Способность магнитов генерировать сильное поле при небольших собственных размерах позволила им внести лепту в решение задачи миниатюризации электронного оборудования. Магнитотвердые материалы на основе редкоземельных металлов обладают более высокими магнитными параметрами по сравнению с магнитами из сплавов А1—Ni—Со (Alnico-8, Alnico-9) из-за высокой коэрцитивной силы, а по сравнению с ферритами — из-за высокой остаточной индук-

ции. Основная магнитная характеристика (ВН) у типичных магнитов из NdFeB в 10 раз выше (310—330 кДж/м3), чем у ферритовых (28—32 кДж/м3), поэтому везде, где требуется уменьшение массы и габаритов магнитов, применяются магниты из NdFeB — сотовые мобильные телефоны, микроэлектродвигатели, микронаушники, персональные компьютеры и ноутбуки и т. д. Таким образом, высокий уровень магнитных свойств при относительной дешевизне магнитов из NdFeB или композиций на его основе дал толчок к массовому применению изделий с использованием их в быту и лавинообразному росту потребления неодима и, отчасти, самария. По разным оценкам около 40 % Fe—Nd—В магнитов используется в производстве электродвигателей и другой электротехнической продукции; 30 % — в аудиотехнике; 10 % в мобильных телефонах, MP3, CD, DVD и других потребительских устройствах; 8 % — в бытовой технике; 5 % — в копировальной и другой офисной технике; 7 % составляют все остальные применения. Линейные синхронные двигатели с возбуждением от редкоземельных постоянных магнитов используются в станочном оборудовании, в электромагнитных разгонных системах и высокоскоростном наземном транспорте, а также в других системах регулируемых линейных приводов.

Коэрцитивная сила железо-неодим-борного магнита усиливается за счет использования диспрозия в качестве добавки. Диспрозий изменяет структуру магнитного сплава, создавая фазу Nd2_xDyxFe14B с более высокой анизотропией и коэрцитивностью. Таким образом, для производства постоянных магнитов ключевым элементом стал диспрозий. Подобное влияние на свойства магнитов оказывает и тербий, но стоимость его заметно выше.

Важным потребителем магнитов NdFeB стала альтернативная энергетика, а точнее — быстро развивающаяся ветроэнергетика. Магниты, входящие в конструкцию турбины нынешнего поколения, содержат 150—200 кг Nd + Рг и до 20—35 кг Dy (Tb) на мегаватт генерируемой мощности. В крупных турбинах следующих поколений с большой вероятностью также будут использовать редкоземельные постоянные магниты, чтобы значительно уменьшить размер и массу ветрогенератора.

Основным ограничением в более широком использовании магнитов NdFeB является их нижняя температура Кюри —300 °С (температура, при которой металл теряет магнитные свойства). Область выше этой температуры остается открытой для применения существенно более дорогих магнитов Sm—Со (температура Кюри —700—900 °С). Создана огромная индустрия производства постоянных магнитов на основе композиций Sm—Со, Nd—Fe—В и других с различными магнитными характеристиками и для различного применения. В итоге, характеристики, заложенные в редкоземельных магнитах, произвели революцию в потреблении РЗМ, особенно в производстве электрических двигателей, генераторов, и в 1990— 2000 гг. коренным образом изменили структуру спроса на редкие земли.

Технологии производства редкоземельных магнитов постоянно совершенствуются. Для получения металлов высокой чистоты, используемых в магнитах, были разработаны практичные методы производства высокочистых оксидов и фторидов, металлических лигатур. Сейчас применяются новые методы плавки, позволяющие выпускать сплавы с характеристиками, требующимися в производстве высокоэнергетических спеченных магнитов. Использование высокочистых оксидов и фторидов осуществляется также и в других секторах электротехники и электроники.

Огромное будущее у РЗМ в магнитострикционной технике, где используется изменение размеров и формы тела под действием магнитного поля (магнитострикционные стабилизаторы частоты, маг- нитострикционные приемники и передатчики ультразвука и т. д.). Магнитострикционный эффект используют в различных преобразователях и датчиках, магнитостриктерные преобразователи находят применение в ультразвуковой дефектоскопии в качестве широкополосных датчиков колебаний различных мод, в акустоэлектронике — в качестве фильтров и резонаторов. Широкое применение получили магнитострикционные уровнемеры для измерения уровня бензина в подземных резервуарах автозаправочных станций.

Магнитострикционные материалы были созданы на основе интерметаллических соединений редкоземельных металлов (РЗМ) с железом. Самые высокие значения магнитострикции имеют соединения TbFe2 и SmFe2. Созданы высокоэффективные магнитострикционные сплавы на основе железа и нескольких РЗМ (ТЬ, Sm, Но, Dy). Например, при воздействии магнитного поля сплав Tb0 3Dy0 7Fej 9 (Terfenol-D) обладает способностью сверхбыстрого расширения — стержень длиной 10 см в течение 50 мкс удлиняется на 0,2 мм.

Открытие магнитокалорического эффекта создало новое поле применения РЗЭ. Основополагающий принцип магнитного охлаждения заключается в том, что твердое вещество на основе гадолиния нагревается в сильном магнитном поле и охлаждается при удалении его. Преимущества магнитного охлаждения — компактность и большая охлаждающая способность на единицу объема; способ также надежен и более эффективен, чем большинство криогенных систем охлаждения, особенно тогда, когда необходимо охлаждать до температуры ниже температуры кипения жидкого азота (77 К). Принцип реализуется следующим образом — сульфат или хлорид гадолиния, являющиеся сильно парамагнитными веществами, помещают в хорошо изолированное пространство, наполненное инертным газом (обычно гелием), и подводят магнитное поле. В ре-

зультате соль нагревается, газ абсорбирует тепло, затем откачивается, а магнитное поле отключается; соль гадолиния охлаждается, таким образом, до температуры ниже начальной. Описанный цикл многократно повторяется, и, как свидетельствуют литературные данные, может быть достигнута температура, весьма близкая к абсолютному нулю. Магнитное охлаждение с использованием редкоземельных магнитов имеет большой потенциал для повышения энергоэффективности процесса на рынке оборудования для сверхнизкого охлаждения. Перспективы использования магнитокалорического эффекта в бытовой технике пока более неопределенны, хотя в его пользу говорит отсутствие хладагентов.

Гексабориды редкоземельных элементов обладают высоким электрическим сопротивлением, они имеют также почти нулевой температурный коэффициент сопротивления, что представляет интерес для микроэлектроники. Также для данных целей используются и другие соединения редких земель. Бориды лантана и гадолиния применяются как материал катодов электронных приборов с большим сроком действия. Иттрий-железные гранаты используются в устройствах связи. На основе иттрия и гадолиния созданы гранаты для микроволновых печей и лазеров различной конструкции и назначения. Еще одной небольшой, но очень важной и чувствительной для безопасности страны областью применения сплавов и соединений с участием РЗМ (Се, Y, Sm, Gd, Tb, Dy) является производство мощных радиоэлектронных приборов СВЧ-диапазона [12].

Соединения редкоземельных элементов нашли широкое практическое использование в области производства люминофоров. В частности, соединения на основе оксисульфидов лантана, иттрия и гадолиния, активированные тербием, находят применение в качестве рентгенолюминофоров в экранах рентгеновских электронно-оптических преобразователей и в медицине. Люминофоры, активированные европием, иттрием, тербием и церием широко применяются в технике цветного телевидения и электронно-лучевых приборах различного назначения для получения красного, зеленого, голубого цвета свечения, для изготовления люминесцентных ламп, газоразрядных индикаторов, защитных покрытий, катодо- и рентгенолюминофоров [13—15].

Соли La, Се, Ей и Sm дают составы, обладающие свечением в красной и инфракрасной областях. Применение редкоземельных элементов в роли активаторов значительно расширило гамму используемых материалов, а в ряде случаев позволило создать люминофоры с довольно специфическими свойствами, как, например, вспышечные люминофоры состава SrS (основа) — Sm, Ей (активаторы), которые могут реагировать на возбуждение в 0,005 рентген, вызываемое у-лучами. В трубках цветного телевидения используется ванадат иттрия, активированный окисью европия.

Стекловарению и оптическим стеклам стекольной промышленности также необходимы соединения редкоземельных металлов. Добавление оксидов лантаноидов (Се, Nd, Рг) в состав стекла сообщает ему способность поглощать ультрафиолетовые и инфракрасные лучи. Стекло, содержащее церий, устойчиво к действию радиоактивных излучений. Оксиды некоторых лантаноидов используют в производстве оптического стекла.

Оптические квантовые генераторы (лазеры, впервые появившиеся в конце 1950 г.), в настоящее время развиваются с невиданной быстротой и интенсивностью. Все лазеры на основе редкоземельных металлов имеют общее свойство — электронные переходы при накачке и излучении являются слабо разрешенными переходами со слабыми осцилляциями. Поэтому время жизни верхнего энергетического уровня может быть очень длительным (от микросекунд, до миллисекунд), активная среда может аккумулировать большое количество энергии. Это позволяет использовать такие активные среды в режимах модуляции добротности, гигантского импульса, синхронизации мод. Время жизни энергических уровней может уменьшаться из-за фононных переходов. Данный эффект минимален во фторидных волокнах. Однако уменьшение времени жизни нижнего энергетического уровня может быть весьма полезным, увеличивая концентрацию электронов на верхнем излучательном уровне, или на уровне накачки. В качестве основы материалов лазеров или в качестве активных добавок к ним используются индивидуальные редкие земли или соединения иттрия; известно около 100 твердотельных лазерных составов с РЗЭ. В их число входят, например, кристаллы вольфрамата кальция, иттрий-алюминиевые, иттрий-гадолиниевые и гадолиний-таллиевые гранаты, легированные неодимом. Большое внимание уделяется использованию в твердотельных лазерах оксидов лантана, церия, неодима, иттрия, гадолиния, скандия и других индивидуальных редких земель [16, 17]. В лазерах других типов, например пластмассовых, применяют соединения европия, самария и тербия.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >