稀土功能材料研究应用现状与发展趋势

稀土元素具有4f壳层电子构型,未完全的电子占据和镧系元素收缩,具有独特物理化学特性。当其作为添加剂或催化剂应用于新型功能材料时,可以显著提高材料的综合性能,并促进稀土元素的高效利用。目前,稀土功能材料在合金靶材、永磁、发光、催化、储氢、抛光、电极、陶瓷、屏蔽、抗菌等材料领域发挥着重要作用。本文详细地介绍了稀土功能材料的分类,综述了近年来稀土功能材料在各技术领域的最新的相关研究进展和应用现状,同时讨论了稀土功能材料的发展潜力和趋势。

真空蒸馏提纯金属镱的理论及实验研究

采用Miedema模型研究了真空蒸馏提纯金属镱过程中Ca、Mg、Mn等杂质的分离特性及分离规律,并根据理论分析结果开展了不同温度下镱的真空蒸馏提纯实验。计算结果表明:在1 000℃以下杂质Fe、Al、Cu、Ni与Yb的饱和蒸气压差值Δp*极大,而杂质Mg、Ca、Mn与Yb的Δp*很小;随着温度降低,分离系数β_(Ca, Yb)逐渐增大,而分离系数β_(Mg, Yb)和β_(Mn, Yb)保持稳定,杂质Mg、Ca、Mn的挥发速率急剧下降。实验结果表明,在700℃下真空蒸馏可有效去除金属镱中的杂质Mg、Ca、Mn。

铝钪合金靶材的制备及退火工艺研究

制备了铝钪合金(Al-20%Sc)靶材,并研究不同退火工艺对合金靶材微观组织和显微硬度的影响。结果表明:退火后,靶材样品晶粒形状发生变化,由棱角分明变得圆润,晶粒尺寸变大,晶界光滑;样品退火前硬度为70.37 HV0.1,随着退火温度的升高和时间的延长,合金硬度先明显降低后趋于稳定,最佳退火工艺为620℃×60min,此时靶材样品硬度降至55.03HV0.1,但其塑性提高,有利于后续机加工。

高纯度铝钪合金的制备

使用真空悬浮熔炼技术,配合升温精炼步骤,制备出了4N级高纯Al-2%Sc、Al-10%Sc与Al-20%Sc合金;升温精炼步骤可有效去除Al-Sc合金中的Ca.Mg杂质,起到对合金深度净化的作用。利用扫描电子显微镜(SEM)对Al-2%Sc.Al-10%Sc及Al-20%Se合金的微观组织进行观察和物相分析,发现这三种合金的物相组成均为Al+Al3Sc。此外,在三种铝钪合金中,第二相Al3Sc分布均匀,未发现明显的偏聚、偏析现象,且随着钪含量的增加,合金中Al3Sc相的数量明显增加。

高钪含量铝钪合金的组织与性能

采用真空悬浮感应熔炼炉制备含钪20%的铝钪二元合金,并对比浇注和水冷铜坩埚中随炉冷却两种成型方法所制得铸锭的成分均匀性,从而确定合金铸锭的最佳成型方式。采用金相显微镜、X射线衍射(XRD)仪对Al-20%Sc合金铸锭的物相组成和晶粒组织进行分析,并通过扫描电子显微镜(SEM),结合能谱,对热锻后Al-20%Sc合金中第二相的分布情况及成分进行表征和分析。

中低温用Ce_(1-x)Gd_(x)B_(6)阴极材料结构及性能研究

采用硼/碳热还原-热压烧结集成工艺制备了高纯致密的Ce_(1-x)Gd_xB_(6)(x=0.1~0.4)多晶块体,研究Gd共掺杂Ce B_(6)对其结构、力学性能与电学特性的影响。结果表明:Ce_(1-x)Gd_(x)B_(6)呈Cs Cl型简单立方单相结构,多晶块体力学性能优异,显微硬度可达22.72 GPa(x=0.1),Ce_(1-x)Gd_(x)B_(6)阴极电阻率随着Gd含量的增加逐渐上升。热电子发射性能结果表明,Gd掺杂能够改善Ce B_6阴极材料的发射特性,在测试温度1573 K,外加电压1k V条件下,Ce_(0.9)Gd_(0.1)B_6阴极的发射电流密度为956 m A·cm^(-2),零场发射电流密度为213.8 m A·cm^(-2),Ce_(1-x)Gd_xB_(6)阴极在1323~1573 K中低温范围平均有效功函数为1.985~2.01 e V。第一性原理计算结果表明,Gd掺杂Ce B_6可减弱近费米能级Ce 4f态电子的局域化程度,引起费米能级升高,减小电子逸出功,增强阴极的发射电流密度。

钙热还原法制备LaB_(6)纳米粉体及其表征

首次采用钙热还原法成功制备了LaB_(6)纳米粉体,通过X射线衍射仪(XRD)和场发射扫描电镜(FE-SEM)研究了反应温度对粉体产物物相结构、形貌和粒度的影响,并采用紫外/可见/近红外分光光度计(UV-VIS-NIR)对纳米粉体光吸收性能进行表征。结果表明:在反应温度800℃下制备的LaB_(6)纳米粉体为简单立方单相结构,结晶性良好,颗粒呈类球形形貌,平均晶粒尺寸为(35±6)nm。随着反应温度的升高,粉体颗粒尺寸增大,向立方形貌转变。吸收光谱表明800℃下所制备LaB_(6)纳米粉体在紫外区和近红外区有很强的吸收特性,最大透射光波长为595nm,与LaB_(6)的第一性原理计算结果较一致。

多元稀土硼化物La_(1-x)Eu_(x)B_(6)纳米粉末的制备及光学性能研究

本研究首次采用钙热还原-酸浸法(CTR&AL)成功制备了La_(1-x)Eu_(x)B_(6)纳米粉末,研究了Eu掺杂对La_(1-x)Eu_(x)B_(6)结构、光学性能的影响规律及作用机理。XRD、FE-SEM及TEM分析结果确认纳米La_(1-x)Eu_(x)B_(6)为CsCl型简单立方单相结构,结晶性良好,粉末颗粒具有立方形貌,平均晶粒尺度为40 nm。光吸收结果表明随着Eu含量的增加,纳米La_(1-x)Eu_(x)B_(6)透射光波长从595 nm增大至825 nm,产生“红移”现象,且Eu掺杂引起LaB6近红外区吸收光谱的增强与展宽。第一性原理计算结果揭示了Eu掺杂引起LaB6近费米能级能带局域性加强,导带中的传导电子数量减少,进而导致其等离激元共振频率能量降低,定性解释了纳米La_(1-x)Eu_(x)B_(6)透射光波长连续可调谐性。

氟化氢铵与氧化钪氟化反应机理研究

以NH_(4)HF_(2)､Sc_(2)O_(3)为原料,对干法氟化制备氟化钪的反应机理进行研究,通过SEM对粉末粒径进行分析,XRD对产物进行物相分析,DSC对产物进行热性能分析,试验结果表明,反应中有中间产物(NH_(4))_(3)ScF_(6)生成,且反应机理可分为两部分,一是NH_(4)HF2､Sc_(2)O_(3)在混料阶段发生预氟化反应生成中间产物(NH_(4))_(3)ScF_(6),(NH_(4))_(3)ScF_(6)在氟化炉中受热分解生成ScF_(3);二是预氟化阶段未反应的NH_(4)HF_(2)在氟化炉中受热分解,生成NH_(3)和HF,Sc_(2)O_(3)与HF氟化生成ScF_(3)。

中低温用Sm_(1-2x)Eu_(x)Ba_(x)B_(6)阴极材料的制备及性能

采用硼/碳热还原-热压烧结集成工艺(BCTR&HP)制备了高纯致密的Sm_(1-2x)Eu_(x)Ba_(x)B_(6)(x=0.1,02,0.3)多晶块体,系统研究Eu&Ba掺杂SmB_(6)对其结构、力学性能与电学特性的影响。结果表明,BCTR&HP制备的Sm_(1-2x)Eu_(x)Ba_(x)B_(6)呈CsC1型简单立方单相结构,晶格常数随Eu&Ba掺杂量的增加而增大,贡献于力学性能的提高和电阻率的下降。热电子发射性能结果表明,Eu&Ba掺杂能够改善SmB_(6)阴极材料的发射特性,在测试温度1773 K,外加电压1 kV条件下,Sm_(0.4)Eu_(0.3)Ba_(0.3)B_(6)阴极的发射电流密度达到35.1 mA·cm^(-2),零场电流密度达到21.4 mA·cm^(-2),在1523~1773 K其平均有效功函数为3.6 eV,其固有的高电阻率可作为"直热式"阴极简化热子结构,具有很大的应用前景。

退火工艺对变形高纯Yb微观组织的影响

对纯度为99. 99%的高纯Yb进行总变形量为35. 6%的多道次室温轧制变形加工,并对其分别在240、270、300、330、360℃进行退火处理,研究了退火工艺对变形高纯Yb显微组织和显微硬度的影响。结果表明,最佳退火工艺为270℃×0. 5 h,经270℃×0. 5 h退火后,变形高纯Yb完全再结晶,晶粒细小、均匀,平均晶粒度为22. 5μm左右,硬度值下降至18. 96 HV0. 5。随着退火温度的升高,试样的平均晶粒尺寸呈上升趋势,显微硬度呈降低趋势并趋于平稳。

高纯金属钪的退火工艺

采用硬度测量和光学显微镜观察,研究了不同退火温度对锻压加工后高纯金属钪硬度和微观组织的影响。结果表明,在相同退火时间下,随着退火温度的提高,金属钪的平均晶粒度总体呈上升趋势,硬度先降低后趋于平稳。当退火温度低于725℃时,回复再结晶过程相对缓慢,平均晶粒度增长有限,而硬度随退火温度的升高持续降低,在725℃时达到最低点;高于725℃时,退火温度越高平均晶粒度越大,硬度已经趋于稳定不随退火温度的升高而变化。故高纯金属钪最佳退火工艺为725℃×30 min。经725℃×30 min退火后,锻压加工后的高纯金属钪达到完全退火态,晶粒均匀,平均晶粒尺寸为135μm,硬度值由退火前的169.5 HV2下降至退火后的129.6 HV2。