稀土纳米材料-综述

稀土元素特殊的电子构型使其具有特殊 的光、电、磁性质。而被誉为新材料的 宝库。将稀土纳米化无疑能在原有特性 的基础上赋予一系列新的特性，将更有 利于发现新性质和合成新材料，因此开 展稀土纳米材料的研究、应用与开发将 是一次新的机遇，对于我们稀土大国具 有重要的意义。
稀土纳米材料的应用
稀土纳米材料的研究与应用将有助于发 现新性质，开拓新材料，已成为当前的 研究热点。本文简述了纳米技术与稀土 相结合形成的新型材料主要有稀土纳米 陶瓷、催化剂、磁性材料、光学材料、 稀土化合物纳米薄膜等的应用和进展。 （以下内容均来自文献： 《稀土纳米材 料的研究进展》 洪广言 ）
稀土有机配合物具有优良的发光性能，但其较 差的光稳定性和热稳定性限制了它们的应用， 采用溶胶凝胶法将稀土配合物引入到有机-无 机互穿网络中，不仅解决了纳米粒子的稳定性 和分散性问题，而且制成加工性能好和具有功 能性质的薄膜。已制成多种引入稀土配合物的 有机-无机纳米杂化薄膜，它们不仅具有良好 的发光特性，而且加工性能好，有望用于电致 发光薄膜。
3、稀土化合物纳米薄膜
稀土化合物纳米薄膜可分成稀土配合物纳米薄 膜和稀土氧化物纳米薄膜两大类。稀土氧化物 纳米薄膜主要采用物理法和化学法来制备，采 用物理法制备稀土氧化物纳米薄膜是以相应的 稀土氧化物或纯金属等为前驱物，通过电子束 蒸发或电子束轰击等过程，将前驱物沉积到预 置的衬底上而得到所需的稀土氧化物纳米薄膜。 采用物理方法制备的薄膜的机械稳定性和化学 稳定性高。化学法制膜主要有喷雾热解法、化 学气相沉积法和溶胶-凝胶法等，这些方法成 本低，易于操作，应用较为广泛。
4、稀土纳米磁性材料
目前NdFeB产值年增长率约为18%～20%，已占永 磁材料产值的40%，作为粘结永磁体材料的快淬 NdFeB磁粉，晶粒尺寸约为20～50nm，为典型的纳 米晶稀土永磁材料。NdFeB永磁体的主要缺点是居里 温度偏低 (TC≈593K)最高工作温度约为450K，此外， 化学稳定性较差，易被腐蚀和氧化，价格也比铁氧体 高。当前的方向是寻求新型稀土永磁材料，另一方面 是研制复合稀土永磁材料，通常软磁铁材料的饱和磁 化强度高于永磁材料，而永磁材料的磁晶各向异性又 远高于软磁材料，如将软磁相与永磁相在纳米尺度范 围内进行复合，就有可能获得具有两者优点的高饱和 磁化强度，高矫顽力的新型稀土永磁材料。
稀土纳米磁性材料
5、稀土纳米光学材料
CeO2具有高折射率和高稳定性，纳米CeO2薄膜可以 用于制备各种光学薄膜，如微充电电池的减反射膜， 还可以做各种增透膜、保护膜和分光膜。用制成汽车 玻璃抗雾薄膜，平均厚度只需30~60nm，能有效防 止在汽车玻璃上形成雾气。
太阳光长期暴晒，对人体就会带来危害，发生急性皮 炎，促进皮肤老化，甚至患皮癌。日光中对皮肤造成 损伤的光线是中波紫外UVB（280～320nm）和长波 紫外UVA（320～400nm）。它们对皮肤的损害具有 累积性且不可逆，会导致皮癌，特别是高纬度、高海 拔地区。CeO2纳米粒子在300～450nm范围内有宽 的吸收带，并随着粒径减小，吸收带红移，对紫外光
轻稀土包括：镧、铈、镨、钕、钷、钐、 铕、钆。
重稀土包括：铽、镝、钬、铒、铥、镱、 镥、钪、钇。
常见类型
独居石
独居石（Monazite）又名磷铈镧矿。 化学成分及性质：（Ce，La，Y，Th）矿物成分中稀
土氧化物含量可达50～68%。独居石溶于H3PO4、 HClO4、H2SO4中。 晶体结构及形态：单斜晶系，斜方柱晶类。晶体成板 状，晶面常有条纹，有时为柱、锥、粒状。 物理性质：呈黄褐色、棕色、红色，间或有绿色。半 透明至透明。条痕白色或浅红黄色。具有强玻璃光泽。 硬度5.0～5.5。性脆。电磁性中弱。在X射线下发绿 光。在阴极射线下不发光。 用途：主要用来提取稀土元素。
研制成功硬磁体和软磁体结合的复合磁体，最 大磁能积达到125MGOe，约为NdFeB磁体理 论值(64MGOe)的2倍。此复合磁体是把厚度 为2.4nm的Sm2Fe17N3（硬磁）同厚度 9nm的Fe65Co35(软磁体)交互叠合而成异相 性多层膜，采用急冷凝固制成非晶合金，再经 热处理析出纳米晶的方法。也已制得了Fe3BNd2Fe14B纳米复合粘结磁体。
掺稀土的ZrO2是一种应用广泛的陶瓷材料，添加 Y2O3, CeO2或La2O3 等稀土元素的作用在于防止 ZrO2高温相变和变脆，生成ZrO2相变增韧陶瓷结构 材料。纳米Y2O3-ZrO2陶瓷具有很高的强度和韧性， 可用作刀具、耐腐零件，可制成陶瓷发动机部件；用 于燃料电池作为固体电解质。
2、稀土纳米催化剂
独居石
镧
铈
氟碳铈矿
化学成分性质：（Ce，La）。机械混入物有SiO2、 Al2O3、P2O5。氟碳铈矿易溶于稀HCl、HNO3、 H2SO4、H3PO4。
晶体结构及形态：六方晶系。复三方双锥晶类。晶体 呈六方柱状或板状。细粒状集合体。
物理性质：黄色、红褐色、浅绿或褐色。玻璃光泽、 油脂光泽，条痕呈白色、黄色，透明至半透明。硬度 4～4.5，性脆，有时具放射性、具弱磁性。在薄片中 透明，在透射光下无色或淡黄色，在阴极射线下不发 光。
稀土纳米材料
概念
稀土元素是从18世纪末叶开始陆续发现， 当时人们常把不溶于水的固体氧化物称 为土。稀土一般是以氧化物状态分离出 来的，虽然在地球上储量非常巨大，但 冶炼提纯难度较大， 显得较为稀少，得 名稀土。
主要元素
根据稀土元素原子电子层结构和物理化 学性质，以及它们在矿物中共生情况和 不同的离子半径可产生不同性质的特征， 十七种稀土元素通常分为二组：
稀土元素及其化合物在催化上一直有着重要的 应用。由于纳米粒子的比表面特别大，表面能 大，活性位置增加，无疑具有更强的催化作用。
因此，用纳米粒子作催化剂在实际上已经引起 人们的重视。作汽车尾气净化催化剂，稀土已 具有不可替代的作用，目前正在研制全稀土汽 车尾气净化催化剂，以降低成本和消除环境污 染。
1、稀土纳米陶瓷材料
纳米陶瓷具有超塑性，高的断裂韧性，能降低烧结温 度和提高烧结速度等优点，其原因在于利用纳米粒子 的粒径小、比表面积大并具有高的扩散速率。例如， 10nm的陶瓷微粒比10µm的烧结速度提高12个数量 级，这是因为纳米陶瓷低温下烧结的过程主要受晶界 扩散控制，就导致烧结速度由晶粒尺寸来决定。
物理性Hale Waihona Puke Baidu：黄色、红褐色，有时呈黄绿色，亦呈棕色 或淡褐色。条痕淡褐色。玻璃光泽，油脂光泽。硬度 4～5，比重4.4～5.1，具有弱的多色性和放射性。
用途：大量富集时，用作提炼稀土元素的矿物原料。
磷钇矿
稀土纳米材料
材料的纳米化（即变成平均粒径1～ 100nm的纳米粒子）将赋予材料许多不 同于宏观物质的特性，也将成为提供新 性质、新材料的科技创新领域，为此引 起了世界各国的重视。
将稀土纳米材料涂在背投电视显示屏上，获得出人意 料的效果。
6、我国目前现状与未来发展：
我国是稀土资源大国，资源丰富，稀土纳米材 料的开发应用，开辟了稀土资源有效利用的新 途径，扩展了稀土的应用范围，促进了新功能 材料的发展。
稀土纳米材料是今后研究的新方向。由于材料 制成纳米颗粒后会使材料性能产生突变，或者 产生其它更为优异的性能，各国 都在加紧研 究。我国是世界上稀土资源最丰富的国家，研 究开发稀土纳米技术并将其应用于各种功能材 料，包括各种功能建筑材料和功能环保材料， 都将具有广阔的应用前景。
具有良好的吸收性能，可以用于制备紫外吸收材料。 国外已将CeO2用于防晒霜。纳米CeO2对紫外光吸收 性能优于常用的TiO2是更好的紫外吸收剂。用纳米 CeO2作为紫外吸收剂，可望用于防止塑料制品紫外 照射老化，坦克、汽车、舰船、储油罐等的紫外老化。
纳米涂层材料是近年来纳米材料研究的热点，主要的 研究聚集在功能涂层上。美国采用80nm的Y2O3作为 红外屏蔽涂层，反射热的效率很高。
用途：它是提取铈族稀土元素的重要矿物原料。铈族 元素可用于制作合金，提高金属的弹性、韧性和强度， 是制作喷气式飞机、导弹、发动机及耐热机械的重要 零件。亦可用作防辐射线的防护外壳等。
氟碳铈矿
磷钇矿
化学成分及性质：Y[PO4]。成分中Y2O3 61.4%， P2O5 38.6%。有钇族稀土元素混入，其中以镱、 铒、镝、钆为主。尚有锆、铀、钍等元素代替钇，同 时伴随有硅代替磷。一般来说，磷钇矿中铀的含量大 于钍。磷钇矿化学性质稳定。晶体结构及形态：四方 晶系、复四方双锥晶类、呈粒状及块状。