УДК 553.493.(574)
Казахский национальный технический университет им. ,
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 катодно-лучевых 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 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. , , Вершков металлы и редкоземельные элементы – материалы современных и высоких технологий будущего. М., Труды ВИАМ, №2, 2013. С.
3. , , Горюнов микорлегирования РЗМ на свойства и структурно-фазовые превращения в интерметаллидном сплаве ВКНА-25-ВИ // Авиационные материалы и технологии.2012 №4. С. 3-8.
4. Казахстан способен быть ведущим мировым производителем редких и редкоземельных металлов // Горный журнал Казахстана. — 2006. — № 2. — С. 2-9.
