稀土元素在军工领域的应用

钷在国防军工的应用—核电池
核电池在军事国防 及航天领域的应用
• 核电池世界发达国家已被广泛地应用在航天、深海、极地、心脏起搏器以及其它极端情况下的高能、大 功率密度、长寿命、长期工作无需维护的移动或固定电源。 • 在航天领域的月球探测上，严酷多变的自然环境，太阳能电池力不从心的深空探测器，受阳光太弱、宇 宙射线过强导致太阳能电池失效，只有核电池能长期可靠的工作，美国有两个核电池至今还留在月球上。 • 除了航天器以外，还用在深海、远海、人迹罕至处的灯塔、航标灯上，苏联用了1000多个核电池。 • 如果说以前航天是使用核电池的第一大用户，那么，未来海军将是核电池的第二大用户。在深海里，太 阳能电池根本派不上用场，燃料电池和其他化学电池的使用寿命又太短，所以只得派核电池去了。例如， 现在已用它作海底潜艇导航信标，能保证航标每隔几秒钟闪光一次，几十年内可以不换电池。人们还将 核电池用作水下监听器的电源，用来监听敌方潜水艇的活动。还有的将核电池用作海底电缆的中继站电 源，它既能耐五六千米深海的高压，安全可靠地工作，又少花费成本，令人十分称心。同时，其它部队 装备应用领域也非常广泛，如：反恐、救灾、野外作战、现代新型自动装备武器等。
镧在军工领域的应用—金属方棒内衬
应用流程
金属镧 金属方 棒 金属方 棒内衬 燃烧武 器
镧在军工领域应用—金属方棒内衬
稀土金属 方棒内衬
良好的纵火性能
• 纯稀土金属因其化学性质活泼, 极易同氧、 硫、氮作用生成稳定的化合物, 当受 到剧烈摩 擦与冲击发生火花时，可引燃易燃物。因此，早在1908 年它就被制 成打火石。 现已查明，17 种稀土元素中有铈、镧、钕、镨、钐和钇六 种元素具有特别良 好的纵火性能。而镧的价格最低。人们将稀土 金属的纵火性制成了各式燃烧武 器， 例如美国 “马克— 82 型”227 kg 航弹采用稀土金属内衬，除了产生爆炸 杀伤效应处，还产生纵火效应。 美国空对地“阻尼人”火箭战斗部内装108 个 稀土金属方棒作内衬，取代部分预制破片, 静 爆破试验证明, 其点燃航空油料的 能力比无内衬的高44% 。
铒在军工领域的应用—超导陶瓷材料
航空、 卫星监 测
稀土氧 化铒
超导陶 瓷材料
超导集 成电路
超导计 算机
体积小、重量轻、使 用方便、而且运算速 度比半导体计算机快 10～100倍。
铒在军工领域的应用—超导陶瓷材料
具有超导性的 陶瓷材料。其主要特 性是在一定临界温度 下电阻为零即所谓零 阻现象
超导陶瓷
钇在军工领域的应用
钢铁及有色金属添加剂：Fe-Cr合金，钇能够增强不锈钢的抗氧化 性和延展性，MB26合金中添加适量的富钇混合稀土后，合金的 综合性得到明显改善，可以替代部分中强铝合金用于飞机的受力 构件上 Y-AL石榴石单晶片：构成电子显微镜荧光屏，荧光亮度高对散射 光的吸收低，抗高温和抗机械磨损性能好 高温质子传导材料：对燃料电池和电解池和要求氢溶解度高的气 敏原件的生产具有重要意义 钇铝钕石榴石和钇铁石榴石等复合氧化物，这些复合氧化物有高 频性能好的特点，用于微波技术及声能换送
通过飞机上装载 的专用物探仪器， 在飞行过程中探 测和监测。
集成电路板
微型计算机
探测飞机
铥在军工领域的应用原理
应用原理： 天然铥均为稳定同位素-169，经中子轰击它可变为放射性同位素 铥-170，后者能放射类似X射线的软γ 射线，用于制备手提式X射线机。 手提式X射线机在飞机中做透视检测，如电子元器件及电子芯片， 橡胶制品、塑料制品、工业电路板的透视等
钆在国防军工的应用—核反应堆中子吸收剂
钆中子吸收相关原理
吸收中子的能力最强
• 在所有元素中, 钆吸收中子的能力最强,每个原子约4 600 靶, 每个自然钆原子在失效前平均吸收4 个中子。当与可裂变的 铀混合时,钆可促进燃烧, 降低铀的消耗并提高能量输出。氧 化钆不象碳化硼那样产生有害的副产品氘,在核反应时既能 与铀燃料又能与它的包覆材料相配。用钆代替硼的好处是 钆能与铀直接混合,以防止核燃料棒膨胀。据统计, 目前全世 界计划兴建的核反应堆149 座, 其中115 座压水堆应用稀土 氧化钆。
铕在国防军工的应用—长余辉发光
激发光停止照射后物质仍能 长余辉发光材料原理 够持续发光的现象
• 长余辉发光是一种光致发光现象，是指在激发光停止照射后物质仍能够 持续发光的现象。长余辉发光材料简称长余辉材料，又称夜光材料。它 是一类吸收太阳或人工光源所产生的光发出可见光，而且在激发停止后 仍可继续发光的物质。具有利用阳光或灯光储光，夜晚或在黑暗处发光 的特点，是一种储能、节能的发光材料。长余辉材料不消耗电能，但能 把吸收的自然光储存起来，在较暗的环境中呈现出明亮可辨的可见光， 具有照明功能，可以起到指示照明的作用，是一种“绿色”光源材料。 尤其是稀土激活的碱土铝酸盐长余辉材料的余辉时间可达12h 以上，具 有白昼蓄光、夜间发射的长期循环蓄光、发光的特点，有着广泛的应用 前景。
钇在军工领域的应用—钇铝石榴石
为什么M1坦克能做到先敌发现？因为该坦克装备 的掺钕钇铝石榴石的激光测距机，在晴朗的白天可 以达到近4000米的观瞄距离
钪在军工领域的应用—铝钪合金
在冶金工业中，钪常用于制造合金（合金的添加剂），以改善合金的强度、硬度 和耐热和性能。如，在铁水中加入少量的钪，可显著改善铸铁的性能，少量的钪 加入铝中，可改善其强度和耐热性。 在电子工业中，钪可用作各种半导体器件，如钪的亚硫酸盐在半导体中的应用已 引起了国内外的注意，含钪的铁氧体在计算机磁芯中也颇有前途。
镧在军工领域应用—核辐射屏蔽
核辐射屏蔽 屏蔽核反应堆中子源
• 应用原理：采用1% 硼和5% 的稀土元素钆、钐、和镧, 制成厚度 600m m 的防辐射混凝土, 用于屏蔽游泳池式反应堆裂变中子源。 • 法国采用石墨为基材添加硼化物、稀土化合物或稀土合金,研制 成一种稀土防辐射材料。这种复合屏蔽材料的填料要求分布均匀 并制成预制件, 根据屏蔽部位的不同要求, 分别置于反应堆通道的 四周。
镨在军工领域的应用—马达
应用流程
金属镨
磁体
马达
飞机
镨在军工领域的应用—马达
永磁电机
效率高、体积小、重量轻
• 稀土永磁材料的磁性能优异，它经过充磁后不再需要 外加能量就能建立很强的永久磁场，不仅效率高，而 且结构简单、运行可靠，还可做到体积小、重量轻。 选用廉价的镨钕金属代替纯钕金属制造永磁材料，其 抗氧性能和机械性能明显提高，可加工成各种形状的 磁体。
铽在军工领域的应用
随着高Tc超导器件的发展，它们将在以下领域得到广泛应用： （1）光谱仪：高Tc超导器件用于傅立叶光谱仪的中、远红外区要比热电堆、 热释电器件优越，特别是快速扫描型的傅立叶光谱仪。 （2）快速低温测温仪及辐射计。 （3）热象仪：高Tc超导器件用于大于20μm至亚毫米波段的成象无疑是最佳器 件。 （4）地物波谱仪：也就是长波地物辐射波谱检测。 （5）远红外激光器的接收。 （6）托克马克等离子体电子温度的测量。 （7）射电天文亚毫米波接收机、天文探测光谱仪，特别是在天文卫星对外层 空间的探测等方面。 （8）军事上的多种装备：如主动式亚毫米波形扫描器红外前视器等。
铈在军工领域应用—铈钛合金
相对优势 推重比高，重量轻，工序少
• 含铈钛合金的优势： 它与国际同类合金相比, 在耐热强度及工艺性能方面均 具有一定的优势。 用它制造的压气机匣用于W PI3Ⅱ发动机, 每架飞机减重 达39 kg, 提高推重比1.5% , 此外减少加工工序约30% , 取 得了明显的技术经济效益, 填补了我国航空发动机在500 ℃ 条件下使用铸钛机匣的空白。
钕在军工领域中的应用—镁钕合金
应用流程
钕 镁钕合 金 转子引 线压板 减速机 匣 飞机
钕在军工领域中的应用—镁钕合金
比重轻、阻尼性好、减震性、切削加工性好
强度高、重量轻、韧性好、耐腐蚀好
镁钕合金
• 作为最轻的金属结构材料，镁及镁合金具有比重轻，比强度高、阻尼性、 减震性及切削加工性、导热导电性好，电磁屏蔽能力强，可回收等一系 列优点，受到人们的极大关注，被誉为“21世纪绿色工程金属结构材料。 尤其是近年来，镁合金在许多工业领域中的应用呈现良好的发展前景。 但是，镁合金的塑性变形能力较差、室温韧性低、屈服强度低和耐腐蚀 性能不良，严重阻碍了其作为结构材料的进一步推广使用。但在镁合金 中添加适量的稀土元素钕，具有净化合金熔体、细化晶粒、改善合金组 织的显著作用，从而改善和提高镁合金组织的力学等性能。
钕在军工领域中的应用—电子束聚焦器
钕铁硼 磁体
电子束 聚焦器
应用流程
导弹
钕在军工领域中的应用—电子束聚焦器
钕铁硼磁体—电子 束聚焦 精确制导
磁性强、重量轻
Hale Waihona Puke • 钐钴磁体和钕铁硼磁体在导弹制导系统中用于电子束致聚焦, 磁体是电子束的主要聚焦器件, 它将数 据传递至导弹的操纵面。在电子束聚焦后实现准确的拦截在导弹的每一个聚焦制导装置中约在5~10 磅(2.27 ~4.54 ㎏) 磁体。此外, 稀土磁体还用于驱动电动机, 转动制导导弹的方向舵, 其优势在于较原 用的铝镍钴磁性强、重量轻。
镧在军工领域应用—高性能夜视仪 高性能 夜视仪
夜视性能好
• 稀土“镧”是高精度夜视仪的“透视眼”。所有高性能的 夜视仪，都必须使用稀土“镧”，每年世界各国军队，尤 其美欧北约军队更重视夜视仪装备的普及率，夜视仪不用 说直升机、坦克等，就连陆军士兵、海军陆战队士兵都成 为单兵标准装备之一。可以想象，需求量之大难以计数。
铽在军工领域的应用—超导探测仪
超导探测仪： 目前，高Tc超导红外探测器的研究已成为超导电子学中的重要内容之一，这 是因为高Tc超导探测器的研制水平已进入实用阶段,并且成为光电探测技术发展的 一个新方向.与传统的半导体探测器相比高Tc超导探测器在大于20μm的长波探测 中将成为优良的接收器，这一点填补了电磁波谱中远红外至毫米波段的空白。此 外，它还具有高集成、低功率高成品率、低价格的优点。预计这一技术将在天文 探险测、光谱研究、远红外激光接收和军事光学等领域得到广泛应用。
铽在军工领域的应用—超导探测仪
铽镝铁磁 致伸缩合 金
磁敏感元 件
超导探测 仪
卫星监测
其尺寸的变 化比一般磁 性材料变化 大这种变化 可以使一些 精密机械运 动得以实现
能够灵敏地感受被 测物磁性变化量并 做出响应的元件
体积小、便于实现集 成化、整列化，可组 成渠道、多参数的探 测系统，使单位信息 容量大大增加
铈在军工领域的应用—铈钛合金
应用流程
金属铈
钛铈合 金
铸钛机 匣 压气机 匣 发动机
飞机
铈在军工领域应用—铈钛合金
铈钛合金
耐热强度高、热稳定性好
• 70 年代初, 北京航空材料研究院(简称:航材院) 在Ti— A1— M o 系钛合金中用稀 土金 属铈(Ce) 取代部分铝、硅, 限制了脆性相的析出, 使合金在提高耐热强度的同时, 也改善了热稳定性能。以此基础上, 又研制出了性能良好的含铈的铸造高温钛 合金ZT3。 研究表明,含铈的ZT3 合金组织中存在着细小的氧化铈质点。铈化合了合金中 的一部分氧, 形成了难熔的、高硬度的稀土氧化物质点Ce2O3。这些质点在合 金形变过程中阻碍了位错运动, 提高了合金高温性能, 铈夺取了一部分气体杂 质(尤其是在晶界上的), 就有可能在使合金强化的同时, 保持良好的热稳定性能。 这是在铸造钛合金中应用难溶质点强化理论的首次尝试。
钷在国防军工的应用—核电池
核电池的基本原理 放射性同位素温差发电器
• 核电池，又叫同位素电池，也被叫做“放射性同位素温差发电器”，最初也叫 原子电池，这种温差发电器是由一些性能优异的半导体材料，以及把许多材料 串联起来组成。另外还得有一个合适的热源和换能器，在热源和换能器之间形 成温差才可发电。核电池的热源是放射性同位素。它们在蜕变过程中会不断以 具有热能的射线的形式，向外放出比一般物质大得多的能量。这种很大的能量 有两个优秀的特点。一是蜕变时放出的能量大小、速度，不受外界环境中的温 度、化学反应、压力、电磁场的影响，因此，核电池以抗干扰性强和工作准确 可靠而著称。另一个特点是蜕变时间很长，这决定了核电池可长期使用。将放 射性同位素它制成圆柱形电池。燃料放在电池中心，周围用热电元件包覆，放 射性同位素发射高能量的α射线，在热电元件中将热量转化成电流。