稀土納米材料課件

稀土納米材料

—建筑裝飾材料1定義稀土元素本身具有豐富的電子結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出許多光、電、磁的特性。稀土納米化后，表現(xiàn)出許多特性，如小尺寸效應(yīng)、高比表面效應(yīng)、量子效應(yīng)、極強(qiáng)的光、電、磁性質(zhì)、超導(dǎo)性、高化學(xué)活性等，能大大提高材料的性能和功能，開發(fā)出許多新材料。納米材料是指晶粒尺寸小于100ｎｍ的單晶體或多晶體,由于晶粒細(xì)小,使其晶界上的原子數(shù)多于晶粒內(nèi)部的,即產(chǎn)生高濃度晶界,因而使納米材料有許多不同于一般粗晶材料的性能,如強(qiáng)度和硬度增大、低密度、低彈性模量、高電阻、低熱導(dǎo)率等。納米技術(shù)是用單個的原子、分子制造物質(zhì)的科學(xué)技術(shù),以及在單個原子、分子層次上對物質(zhì)存在的種類、數(shù)量和結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行精確的觀測、識別與控制的研究和應(yīng)用。目前納米技術(shù)與稀土相結(jié)合形成的新型材料主要有稀土納米陶瓷、催化劑、永磁材料、發(fā)光材料、環(huán)保材料、生物醫(yī)藥材料等。這些新型材料在信息、生命科學(xué)等領(lǐng)域必將發(fā)揮重要的作用。2稀土納米材料的應(yīng)用

稀土在環(huán)境材料方面的一項重要用途是作為汽車尾氣凈化催化劑。它具有良好的催化活性、熱穩(wěn)定性、抗毒性、使用壽命和價格優(yōu)勢。北京有色金屬研究總院研制的稀土尾氣凈化催化劑主要采用氧化鈰，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所用鉑/氧化鋯·氧化鈰作為催化劑?？墒蛊囄矚庵械腃O（一氧化碳）、HC（碳?xì)浠铮?、NOX（氮氧化物）的凈化率達(dá)到60%-70%乃至更高。

催化劑采用了稀土和其它氧化物等多成分的協(xié)同效應(yīng)，目前已開始應(yīng)用于多種涂料、陶瓷、搪瓷和水泥制品等建筑材料方面，能產(chǎn)生良好的抗菌和凈化效果。22稀土納米催化劑在許多化學(xué)反應(yīng)中,使用稀土催化劑,若使用稀土納米催化劑,催化活性、催化效率將大幅提高。因為,納米微粒尺寸小,表面所占的體積百分?jǐn)?shù)大,表面的鍵態(tài)和電子態(tài)與顆粒內(nèi)部不同,表面原子配位不全,導(dǎo)致表面活性位置增加,通過對納米微粒表面形態(tài)的研究表明,隨著粒徑減小,表面光滑程度變差,形成了凹凸不平的原子臺階,從而增加了化學(xué)反應(yīng)的接觸面,產(chǎn)生高擴(kuò)散通道,大大增加催化反應(yīng)活性點(diǎn)。這就意味著稀土納米粒子催化劑具有良好的催化效果。稀土納米催化劑一般用在石油催化裂化和汽車尾氣的凈化處理方面。

23稀土納米永磁材料在稀土金屬的晶體中,由于4ｆ層電子受到外層5ｓ和5ｐ電子層屏蔽的關(guān)系,晶體場對4ｆ電子軌道磁矩作用甚弱,甚至不起作用。所以稀土金屬的原子磁矩包含有4ｆ層電子軌道磁矩和自旋磁矩兩部分的貢獻(xiàn),而鐵元素僅有3ｄ層電子自旋磁矩作貢獻(xiàn)。在稀土化合物中3ｄ和4ｆ金屬原子磁矩都對化合物的磁矩有貢獻(xiàn),因此其磁性能更為優(yōu)良。稀土永磁材料是將釤、釹混合稀土金屬與過渡金屬(如鐵、鈷等)組成的合金,用粉末冶金方法壓型燒結(jié),經(jīng)磁場充磁后制得的一種磁性材料。

稀土納米永磁材料的制備方式主要有機(jī)械合金化和急冷凝固制成非晶合金,再經(jīng)熱處理析出納米結(jié)晶兩種方式。機(jī)械合金化法是在高能球磨機(jī)內(nèi)使粉末反復(fù)地歷焊接、斷裂而制備的。德國西門子公司采用機(jī)械合金法及隨后進(jìn)行固態(tài)反應(yīng)的方法研制出稀土納米永磁材料,如Ｎｄ-Ｆｅ-Ｂ和Ｓｍ-Ｆｅ-Ｎ磁體。制備Ｎｄ-Ｆｅ-Ｂ粉時,先用機(jī)械合金化法制得球磨粉Ｎｄ2Ｆｅ14Ｂ(晶粒50ｎｍ),經(jīng)過退火就可得到各向同性納米磁粉。這種磁粉加入樹脂,可得粘結(jié)型ＭＭ1永磁材料,其矯頑力為15.8ｋＡｃｍ。各向同性磁粉用軸熱壓成型法制得各向同性ＭＭ2壓制磁體,進(jìn)行熱壓可制得致密的磁體(ＭＭ2),其矯頑力為16.1ｋＡｃｍ。各向同性磁粉采用模壓鐓鍛,經(jīng)熱變形織構(gòu)化,可制得各向異性磁體ＭＭ3,其矯頑力為10.7ｋＡｃｍ。

25稀土納米貯氫材料為了解決能源、環(huán)境、資源等問題,貯氫材料的開發(fā)已成為當(dāng)前材料的研空熱點(diǎn),碳納米管、纖維類成本高;高比表面活性炭的貯氫溫度又太低,應(yīng)用范圍受限;用有機(jī)液體貯氫脫氫困難;而用稀土納米合金材料貯氫成本較低,可大規(guī)模生產(chǎn)。貯氫合金是由可吸氫的金屬Ａ(Ｍｇ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ和稀土元素Ｎｂ、Ｌａ等)和不吸氫的金屬Ｂ(Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ａｌ)組成,合金的性能與Ａ和Ｂ的組合關(guān)系有關(guān),主要用于制作鎳氫電池負(fù)極,它以易活化、平臺平坦、滯后小、抗中毒性好等優(yōu)點(diǎn)而被認(rèn)為是最理想的材料,為了降低成本,多用混合稀土金屬或富鑭混合稀土取代金屬鑭,材料成本可大幅降低。

太陽光長期暴曬,對人體就會帶來危害,發(fā)生急性皮炎,促進(jìn)皮膚老化,甚至患皮癌。日光中對皮膚造成損傷的光線是中波紫外ＵＶＢ(280～320ｎｍ)和長波紫外ＵＶＡ(320～400ｎｍ)。它們對皮膚的損害具有累積性且不可逆,會導(dǎo)致皮癌,特別是高緯度、高海拔地區(qū)。具有良好光催化能力的ＣｅＯ2,其禁帶寬度能量為3.1ｅｖ,可覆蓋300～450ｎｍ范圍內(nèi)紫外線吸收帶,能夠吸收長波長的紫外區(qū)域。并隨著粒徑減小,吸收帶紅移,對紫外光具有良好的吸收性能,可以用于制備紫外吸收材料。國外已將ＣｅＯ2用于防曬霜和高級化妝品的添加劑。研究表明,納米ＣｅＯ2對紫外光吸收性能優(yōu)于常用的ＴｉＯ2,是更好的紫外吸收劑。用納米ＣｅＯ2作為紫外吸收劑,可望用于防止塑料制品紫外照射老化及坦克、汽車、艦船、儲油罐等的紫外老化。

納米涂層材料是近年來納米材料研究的熱點(diǎn),主要的研究聚集在功能涂層上。美國采用80ｎｍ的Ｙ2Ｏ3作為紅外屏蔽涂層,反射熱的效率很高。

中國首創(chuàng)歐臣納米稀土空調(diào)利用納米材料獨(dú)特的理化性能,將合成稀土納米材料安裝于空調(diào)進(jìn)風(fēng)口處。該材料由多種稀土金屬、稀有金屬、多種氧化物經(jīng)過高科技方法合成而得,其中納米材料和多種稀土金屬、稀有金屬聯(lián)合作用,構(gòu)成了帶有特殊化學(xué)配位結(jié)構(gòu)的微孔活性中心。在空調(diào)運(yùn)行時對吸入的室內(nèi)空氣進(jìn)行化學(xué)過濾、分解甲醛、苯類有毒有機(jī)化合物,處理空氣中的病毒、病菌,起到真正意義上的凈化空氣作用。3我國目前現(xiàn)狀與未來發(fā)展：

我國是稀土資源大國,資源豐富，稀土納米材料的開發(fā)應(yīng)用,開辟了稀土資源有效利用的新途徑,擴(kuò)展了稀土的應(yīng)用范圍,促進(jìn)了新功能材料的發(fā)展。稀土納米材料的研究必將引起材料工業(yè)的發(fā)展與變革,促進(jìn)材料學(xué)理論上的發(fā)展并建立新理論體系,以適應(yīng)納米尺度的研究需要,使稀土納米材料具有更佳的性能,使新的性能、功能的出現(xiàn)成為可能。

稀土納米材料是今后研究的新方向。由于材料制成納米顆粒后會使材料性能產(chǎn)生突變，或者產(chǎn)生其它更為優(yōu)異的性能，各國都在加緊研究。我國是世界上稀土資源最豐富的