Области применения РЗЭ

По относительной стоимости металлов на мировом рынке (Аu = 1) РЗЭ образуют три группы с коэффициен­тами 0, 2 (Се, Рr, Nd), 0, 5 (Sm, Gd, Dу, Но, Еr, Yb) и 2, 5 (Еu, Тb, Тm, Lu). В настоящее время все более широкое использование находят как индивидуальные лантаноиды, так и их соединения.

Металлургия. Высокое химическое сродство к неметаллам (H, C, P, N, S, O), обычно присутствующим в черных металлах и их сплавах, обусловило использование РЗЭ для эффективного удаления (раскисления, десульфурации) этих неметаллов из различных сталей. Добавка Ce или мишметалла (сплава металлов цериевой подгруппы) к стали улучшает ее структуру, повышает ее прочность и коррозионную устойчивость, жидкотекучесть и обрабатываемость. Добавление 2 кг РЗЭ на тонну стали существенно увеличивает ее прочность и ковкость. Использование силицидов РЗЭ при производстве трубной стали улучшает ее ударную вязкость и обрабатываемость.

Важную роль играют РЗЭ в производстве высокопрочного чугуна. В качестве модификаторов используют Ce и Y. Добавка 0, 15 % РЗЭ значительно улучшает физико-механические свойства чугуна. РЗЭ постепенно вытесняют использующийся для этих же целей магний.

В цветной металлургии более активные РЗЭ могут заменить алюминий в ряде металлотермических процессов. Существуют рекомендации использования лантана для восстановления щелочноземельных металлов. Возможно применение РЗЭ для раскисления меди и ее сплавов. Однако наиболее важным является использование РЗЭ в легких сплавах с Al и Mg. Сплавы алюминия, легированные церием, применяются в поршнях авиационных двигателей, головках и блоках цилиндров двигателей внутреннего сгорания. До­бавки неодима увеличивают пластичность магниевых сплавов.

Жаропрочные магнитные сплавы с РЗЭ применяются для производства деталей реактивных самолетов, управляемых снарядов, космических аппаратов. В производстве легких авиационных магниевых сплавов используется Nd. Добавка к хромовым сплавам 0, 5-6 % Pr, Gd и Eu повышает их устойчивость к окислению.

Сплавы Sm-Co устойчивы против размагничивания, используются в авиационном и космическом оборудовании. Получены составы сплавов Co с РЗЭ для постоянных магнитов. Добавка РЗЭ к медным припоям улучшает их структуру.

Стекольная и керамическая промышленность. Соединения РЗЭ применяют как для окрашивания стекла (CeO₂ – в желтый, Nd₂O₃ – в красный, Pr₂O₃ – в зеленый), так и для обесцвечивания его (соли Ce, Nd, Er), для изготовления специальных стекол, поглощающих УФ-излучение (Nd – для защиты от солнечных лучей, Ce + Pr + Nd – в стекле для сварочных работ). Оксид лантана используется в производстве оптических стекол. Неодимовые стекла применяются в качестве фильтров при рентгеноструктурных и астрофизических исследованиях. Цериевые стекла устойчивы к воздействию радиации и используются для защиты от излучения в ядерных реакторах.

Перспективно применение РЗЭ для изготовления специальной керамики. Так, CeS, который плавится при 2900º С, можно использовать для производства высокотемпературных тиглей для плавления металлов. На основе Y₂O₃ создана прозрачная стеклоподобная керамика с температурой плавления 2200º С, пропускающая ИК-лучи.

Высокотемпературные керамические нагреватели на основе ZrO₂ с добавкой 15% Y₂O₃ выдерживают нагревание на воздухе до 2000º С. Добавка РЗЭ к глазури снижает ее растрескивание, усиливает блеск, придает ей окраску.

Широкое применение нашли оксиды РЗЭ в качестве абразивных материалов для полировки листового и зеркального стекла, телевизионных трубок, бинокулярных линз, прецизионных оптических стекол, линз объективов и т. д. Полирит: CeO₂ – 40-47 %, (La₂O₃+Nd₂O₃+Pr₆O₁₁) – 41-58 %, (SiO₂+Al₂O₃+Fe₂O₃+CaO+MgO) – 2 % обеспечивает высокую скорость и качество полировки стекла. Утверждается, что возможна практически полная регенерация соединений РЗЭ.

Ядерная техника. Поскольку некоторые изотопы Gd, Sm, Eu и Dy обладают высоким сечением захвата тепловых нейтронов (соответственно 44000, 6500, 4500 и 4300 барн/атом), что намного выше, чем у традиционно используемых B, Cd, Zr и Hf, то представляется перспективным их использование в регулирующих стержнях ядерных реакторов. Наиболее перспективным считается Eu, т. к. его долгоживущие изотопы так же поглощают нейтроны. Стоимость регулирующих стержней из сплава Ag-Cd-Eu (до 50 %), обладающего всеми необходимыми свойствами, ниже, чем у используемой для этих целей стали, обогащенной бором.

Металлический иттрий, не имеющий большого сечения захвата нейтронов, но не взаимодействующий с расплавленным ураном, является конструкционным материалом для ядерных реакторов. Молекулярные суспензии иттрия и урана обеспечивают устойчивую радиацию и сравнительно недороги.

Для защиты от радиации используют сплавы свинца и РЗЭ (40 % Pb, 35 % Dy и др.). В состав других материалов входят Gd и Pb в сочетании с Dy и W.

В портативных рентгеновских аппаратах применяется радиоактивный изотоп тулия ¹⁷⁰Tu, являющийся γ -излучателем. Аналогично можно использовать ¹⁵⁵Eu. Считается, что радиоактивные изотопы ^152-154Eu могут конкурировать с ⁶⁰Co в γ -дефектоскопии.

Электротехника, радиотехника, электроника. РЗЭ находят применение как геттеры (газопоглотители) в вакуумной технике и как эмиттеры. Их соединения используются для изготовления катодов в электронных приборах. Соединения с марганцем типа MnLnO₃ – хорошие сегнетоэлектрики. Оксид неодима используется в качестве диэлектрика с низким коэффициентом линейного расширения. Хорошим диэлектриком является смесь CeO₂ c TiO₂. Смесь CeO₂ и SrO используется в радиокерамике. Широкое распространение нашли соединения РЗЭ в качестве компонентов люминофоров в люминесцентных и ртутных лампах высокого давления (Dy).

На основе ортованадата и оксида иттрия, активированных европием, был создан красный люминофор для цветных кинескопов с большой интенсивностью излучения. Важную роль играют соединения РЗЭ в создании квантовых генераторов и усилителей оптического диапазона, где их используют в качестве активаторов. Для изготовления твердых лазеров используют оксиды лантана, гадолиния, неодима, церия и иттрия, а также молибдаты и вольфраматы РЗЭ.

Интересны ферриты, содержащие оксиды РЗЭ (гранаты), сочетающие полупроводниковые, диэлектрические и ферромагнитные свойства (микроволновые передатчики и резонаторы). Особенное внимание уделяется иттриево-железным гранатам типа 3Y₂O₃∙ 5Fe₂O₃, использующимся для производства магнитных сердечников в микроволновой и телевизионной аппаратуре. Алюмо-иттриевые гранаты имитируют бриллианты. Большое значение РЗЭ имеют для получения полупроводниковых материалов в соединениях с S, Se, Te, Sb, Bi.

Разработаны термоэлектрические элементы на основе сульфидов церия и самария, работающие с высоким КПД вплоть до 900º С.

Первые молекулярные усилители (мазеры) были созданы с использованием сульфатов лантана и гадолиния. В качестве активных веществ мазеров можно использовать соединения тулия и эрбия. Мазеры, содержащие ионы РЗЭ, обладают наиболее острой направленностью флуоресценцией. Кристаллы CaF₂, активированные ионами Sm²⁺, потребляют всего 0, 2 % от мощности, необходимой для рубинового кристалла, легированного хромом.