Редкоземельные металлы занимают особое и важное место в

УДК 553.493.(574)
Шампикова А.Х.
Казахский национальный технический университет им. К.И. Сатпаева,
Алматы, Казахстан
ПРИМЕНЕНИЕ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ В
ВЫСОКОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОТРАСЛЯХ
Аннотация. Описано применение редкоземельных металлов в различных
отраслях техники: в радиоэлектронике, приборостроении, атомной технике,
машиностроении, химической промышленности, в металлургии и другие. Более подробно
расписаны группы щелочных, легких, тугоплавких, рассеянных редких металлов.
Ключевые слова: редкоземельные металлы, редкие металлы, соединения, сплавы.
Редкие и редкоземельные металлы занимают важное место в нашей жизни. Они
используются
в
высокотехнологических отраслях и секторах, обеспечивающих
экономическую и оборонную безопасность любого государства. Трудно назвать область
техники, которая в той или иной степени не применяла бы редкие металлы (РМ), их
сплавы и разнообразные соединения.
Казахстан — один из крупнейших регионов мира, обладающий значительными
запасами и перспективами расширения минерально-сырьевой базы редких и
редкоземельных металлов (РЗМ). В республике производство РМ и РЗМ осуществляется
на специализированных предприятиях и как сопутствующая продукция — на
предприятиях цветной металлургии, [1].
Редкоземельные элементы используют в различных отраслях техники: в
радиоэлектронике, приборостроении, атомной, водородной, солнечной энергетике
машиностроении, химической промышленности, в металлургии и другие, [2] (см.рис 1.).
Элементы лантан, церий, празеодим, неодим широко применяют в стекольной
промышленности в виде оксидов и других соединений. Эти элементы повышают
светопрозрачность стекла. Редкоземельные элементы входят в состав стекол специального
назначения, пропускающих инфракрасные лучи и поглощающих ультрафиолетовые лучи,
кислотно- и жаростойких стекол.
Рисунок 1 – Применение редкоземельных металлов в разных отраслях
промышленности
Чрезвычайно высоки темпы роста потребления редких металлов в компьютерной
технике, в оптоэлектронике. (см рис.2).
Рисунок 2 - Применение редкоземельных металлов в оптоэлектронике
(лазер,ЭВМ)
За счет внедрения энергоэкономичных осветительных приборов и электронной
аппаратуры, сделанной с использованием редких элементов, США предполагают
сберегать до 50% электроэнергии на освещение. В Японии и США созданы лампы с
люминофорами, содержащими иттрий, европий, тербий, церий. Расход электроэнергии на
освещение снижающие в 2-3 раза.Магниты с использованием сверхпроводящих
материалов на основе ниобия дали возможность построить в Японии поезда на воздушной
подушке, развивающие скорость до 577 км/ч. (см рис.3).
Рисунок 3 - Применение редкоземельных металлов в электроэнергетике
К группе щелочных редких металлов относятся литий, рубидий, цезий. Основные
области применения лития — ядерная энергетика, электролиз алюминия. Добавки
карбоната лития (2,5-3,5 кг Li2 CO3 на 1 кг А1) позволяют снизить температуру плавления
электролита, уменьшить расход анода и криолита, сократить расход электроэнергии и
себестоимость металла. Добавки лития применяются в производстве стекла для катоднолучевых трубок, телевизионных кинескопов, стекла с электроизоляционными свойствами,
светочувствительных, легкоплавких и других специальных стекол, [3].
Рубидий и цезий и их соединения широко используются в электронике, в радио-,
электро- и рентгенотехнике, химической промышленности, оптике и медицине. Близость
свойств рубидия и цезия определяет их взаимозаменяемость во многих областях
применения. Наибольшее практическое значение имеют фотоэлектрические свойства
цезия и рубидия, благодаря которым они применяются для фотоэлектрических приборов
— фотоэлементов, фотоумножителей.
В электротехнике рубидий и цезий применяют в производстве люминесцентных
ламп. Цезий, рубидий и их соединения используют в качестве катализаторов и препаратов
в органическом и неорганическом синтезе.
Группа легких редких металлов представлен бериллием и скандием. Конструкции
самолетов из материалов с использованием бериллия увеличивают дальность и высоту полетов. В американском «Шаттле» из бериллия выполнены каркас, обшивка, диски
тормозов, приборы.
Сплавы с бериллием, резко повышающие механические свойства многих металлов,
применяются для производства деталей и конструкций, подвергающихся длительному
интенсивному напряжению или трению при переменной или высоких температурах. В
атомной технике бериллий и его оксид используются как источники, замедлители и
отражатели нейтронов.
Применение в мире инновационных и высоких технологий скандия просто
огромно. Добавление незначительного количества данного металла к сплавам из
алюминия и магния улучшает их свойства по текучести, сопротивлению, устойчивости к
окислению и т.д. Оксиды Скандия используются для производства оптоэлектронных
германатных стекол. В микроэлектронике скандий используют для производства систем
хранения данных с высокой скоростью обмена информацией. Иоид скандия в
незначительных количествах добавляют в ртутно-газовые лампы, что позволяет
максимально приблизить данные источники искусственного света к естественному
солнечному. Скандий входит в состав лазерных материалов, материалов для солнечных
батарей, а хромид скандия используется как материал для изготовления электродов для
МГД-генераторов и во многих других областях передовых технологий, [4].
Группа тугоплавких редких металлов, представленная ниобием, танталом, титаном
гафнием, цирконием, вольфрамом молибденом, ванадием, играет важную роль в развитии
научно-технического прогресса во многих областях науки и техники. Тантал обладает
комплексом ценных свойств - хорошей пластичностью, прочностью, свариваемостью,
коррозионной устойчивостью при умеренных температурах, тугоплавкостью, высоким
коэффициентом теплопередачи, небольшой работой выхода электронов, способностью
образовывать анодную пленку с особыми диэлектрическими характеристиками и
"уживаться" с живой тканью организма. Благодаря этим свойствам, Тантал находит
применение в электронике, машиностроении, ядерной энергетике, в металлургии
(производство жаропрочных сплавов, нержавеющих сталей), в медицине.
Титан расходуется на нужды авиационной и ракетной техники и морского
судостроения. Титан (ферротитан) используют в качестве легирующей добавки к
качественным сталям и как раскислитель. Технический титан идет на изготовление
емкостей, химических реакторов, трубопроводов, арматуры, насосов, клапанов и других
изделий, работающих в агрессивных средах. Из компактного титана изготавливают сетки
и другие детали элетктровакуумных приборов, работающих при высоких температурах.
Титан и его сплавы нашли широкое применение в технике ввиду своей высокой
механической прочности, которая сохраняется при высоких температурах, коррозионной
стойкости, жаропрочности, удельной прочности, малой плотности и прочих полезных
свойств. Титановые сплавы играют большую роль в авиационной технике, где стремятся
получить наиболее легкую конструкцию в сочетании с необходимой прочностью. Титан и
его сплавы используют в ракетостроении. Ввиду кратковременной работы двигателей и
быстрого прохождения плотных слоев атмосферы в ракетостроении в значительной мере
снимаются проблемы усталостной прочности, статической выносливости и отчасти
ползучести.
Вольфрам - основа твердых сплавов и многих жаропрочных сплавов, входит в
состав износоустойчивых сплавов и инструментальных сталей. Из вольфрама и сплавов
изготавливают: детали авиационных двигателей, нити накаливания и детали в
электровакуумных приборах. Также благодаря высокой плотности вольфрам используется
для противовесов, артиллерийских снарядов, пуль и сверхскоростных роторов гироскопов
для стабилизации полёта баллистических ракет.
Молибден применяют в качестве легирующей добавки к различным сплавам, в том
числе к высококачественным сталям. Молибден и молибденовые сплавы используются в
деталях, длительно работающих в вакууме до 1800°С (в соплах ракет и в
электровакуумных приборах), как конструкционный материал в энергетических ядерных
реакторах, для изготовления оборудования, работающего в агрессивных средах.
Молибденовая проволока и молибденовая лента служит для изготовления
высокотемпературных печей, вводов электрического тока в лампочках. Из молибдена
изготовляют сотовые панели космических летательных аппаратов, теплообменники,
оболочки возвращающихся на землю ракет и капсул, тепловые экраны, обшивку кромок
крыльев и стабилизаторы в сверхзвуковых самолетах.
Группа редкоземельных металлов объединяет четырнадцать редких металлов:
лантан, церий, празеодим, неодим, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий,
гольмий, эрбий, тулий, иттербий и лютеций.
По данным экспертов, в группе РЗМ основной спрос отмечается на оксиды
неодима и диспрозия ввиду высокой потребности в них сферы производства магнитов. В
настоящее время треть всех потребляемых в мире РЗМ используется в производстве
катализаторов. Этот рынок состоит из двух крупных сегментов: производство
промышленных катализаторов и фильтров — нейтрализаторов выхлопных газов
автомобилей.[3]
Группа рассеянных редких металлов
К группе рассеянных редких металлов относятся висмут, индий, таллий, галлий,
селен, теллур, рений, германий, кадмий.
Для некоторых сплавов висмута характерны уникальные магнитные свойства.
Добавка висмута (всего 0,01%) к сплавам на основе алюминия и железа улучшает
пластические свойства материала, упрощает его обработку. В производстве полимеров
трёхокись висмута служит катализатором, и её применяют, в частности, при получении
акриловых полимеров. При крекинге нефти некоторое применение находит оксохлорид
висмута. Одним из важнейших направлений применения висмута является производство
полупроводниковых материалов.
Селен обладает полупроводниковыми свойствами, это полупроводник p-типа, т.е.
проводимость в нем создается главным образом не электронами, а «дырками». В
сравнительно небольших количествах селен используют в резиновой промышленности –
как наполнитель (в качестве вулканизаторов и для повышения стойкости резины для
покрытия электрокабелей). Легированный селеном свинец используют для изготовления
решеток аккумуляторов. Селена-полупроводника используется в солнечных батареях ,
работающих на Земле и в космосе.
Сурьма увеличивает твердость других металлов (олова, свинца) и не окисляется
при обычных условиях, металлурги нередко вводят ее в состав различных сплавов. Число
сплавов, в которые входит сурьма, близко к двумстам. Наиболее известные сплавы
сурьмы – твердый свинец, типографский металл, подшипниковые металлы. Широкое
применение в технике находят соединения сурьмы. Трехсернистую сурьму используют в
производстве спичек и в пиротехнике. Большинство сурьмяных препаратов также
получают из этого соединения. Пятисеринстую сурьму применяют для вулканизации
каучука.
Теллур применяется в производстве сплавов свинца с повышенной пластичностью
и прочностью (применяемых, например, при производстве кабелей). Используется при
производстве свинцово-кислотных аккумуляторов. Лучшим материалом на основе теллура
для производства полупроводниковых холодильников в последние годы является сплав
теллура, висмута и цезия, который позволил получить рекордное охлаждение до 237 °C.
Теллур применяется в виде двуокиси в варке специальных марок стекла. Некоторые
стёкла на основе теллура являются полупроводниками (достоинство таких стёкол —
прозрачность, легкоплавкость и электропроводность), что, в свою очередь, нашло
применение в конструировании специальной химической аппаратуры (реакторов).
Список использованной литературы
1. Ракишев Б.Р. Горнометаллургический комплекс – надежная база инновационных
и высоких технологий. Сборник трудов Международной научно-практической
конференции «Инновационные технологии и проекты в горно-металлургическом
комплексе, их научное и кадровое сопровождение». Алматы, КазНТУ, 2014.-С.38-43
2. Каблов Е.Н., Оспенникова О.Г., Вершков А.В. Редкие металлы и редкоземельные
элементы – материалы современных и высоких технологий будущего. М., Труды ВИАМ,
№2, 2013. С.
3. Сидоров В.В., Тимофеева О.Б., Калицев В.А., Горюнов А.В. Влияние
микорлегирования РЗМ на свойства и структурно-фазовые превращения в
интерметаллидном сплаве ВКНА-25-ВИ // Авиационные материалы и технологии.2012
№4. С. 3-8.
4. Жарменов А. Казахстан способен быть ведущим мировым производителем
редких и редкоземельных металлов // Горный журнал Казахстана. — 2006. — № 2. — С.
2-9.