稀土材料教学课件

稀土材料教学课件第一章稀土元素基础知识稀土元素是现代高科技产业的关键材料，被誉为工业黄金和未来材料的基石在本章中，我们将系统介绍稀土元素的基本概念、分类及其独特性质基础定义认识稀土元素的科学定义与分类周期表位置了解稀土在元素周期表中的特殊位置发现历史探索稀土元素的发现历程物理化学特性什么是稀土元素？稀土元素是指镧系元素（镧到镥的种元素）以及钇（）和钪（）共种La Lu15Y Sc17元素的总称尽管名为稀土，但它们在地壳中的含量并不稀少，只是因分散度高、难以提取而得名这些元素因具有相似的化学性质而被归为一类，它们在分离提纯过程中异常困难，需要复杂的化学工艺才能获得高纯度产品稀土元素在元素周期表中的位置在元素周期表中，稀土元素占据特殊位置镧系元素（种）钇和钪15从镧（，号）到镥（，钇（，号）和钪（，La57Lu71Y39Sc21号），位于周期表下方的第一行号）位于主表的第三族，因与镧镧系元素系元素化学性质相似而归为稀土特殊性对比稀土元素的发现历史年1794加多林发现钇（Y）年1803发现铈（Ce）年1839发现镧（La）1885–1945镨、钕

（1885）与钷

（1945）里程碑稀土元素的发现历程长达一个半世纪，是化学史上的重要篇章•1794年，芬兰化学家加多林从伊特比矿中发现钇（Y），这是首个被发现的稀土元素•1905-1907年间，法国化学家乌尔班成功分离出镥（Lu），完成了所有天然稀土元素的发现稀土元素的物理化学特性电子结构特点化学活泼性轻重稀土区分稀土元素的电子层不完全填充，这是其稀土元素化学性质活泼，标准电极电位负按原子序数可分为轻稀土（镧到铕）和重4f独特磁性和光学特性的根源电子被外值较大，易失去电子形成价离子它们稀土（钆到镥及钇）轻稀土储量较丰4f+3层电子屏蔽，使稀土离子具有稳定的能级能与多种元素形成稳定化合物，如氧化富，重稀土相对稀少但应用价值更高结构，产生特征光谱发射物、氟化物、氯化物等稀土元素周期表位置示意图上图展示了稀土元素在元素周期表中的位置镧系元素（从镧到镥）位于周期La Lu表底部单独的一行，而钪（）和钇（）则位于主周期表的第三族这种特殊的Sc Y排列反映了稀土元素独特的电子结构和化学性质注意观察，稀土元素主要形成价离子，这也是它们化学性质相似的重要原因随+3着原子序数增加，轨道逐渐填充，但外层电子构型变化不大，这就导致了所谓的4f镧系收缩现象第二章稀土材料的关键应用探索稀土材料在现代工业和高科技领域的广泛应用永磁材料中的稀土元素稀土永磁材料是现代永磁技术的核心，其磁性能远超传统铁氧体磁体钕铁硼磁体含钕（）、镨（）等元素，是目前商用最强力的永磁体，最大磁能积可达Nd Pr56，被广泛应用于电动汽车驱动电机、风力发电机等MGOe钐钴磁体含钐（），具有优异的耐高温性能（可在高温下工作），主要用于航空航Sm350°C天、军事装备等特殊环境驱动未来稀土永磁是清洁能源和电气化交通的基础，单台电动汽车需要约千克稀土永磁材1-2料一台普通电动汽车电机中含有约千克的钕铁硼永磁体，占总重量的左右，但其性能对电15%机效率至关重要光电子材料中的稀土应用稀土元素独特的电子结构使其成为光电子技术的理想材料掺铒光纤放大器（）掺镱光纤激光器EDFA铒（）离子在波长附近镱（）离子在波长有高Er1550nm Yb1064nm具有理想的光放大特性，掺铒光纤效率激光输出，掺镱光纤激光器可放大器是现代光通信网络的加油实现千瓦级功率输出，广泛应用于站，使光信号可在数千公里光纤工业切割、焊接、军事测距等领中传输而不衰减没有，现域，已成为现代制造业的关键工EDFA代互联网将无法实现全球连接具掺铥激光材料铥（）离子在波长区域有Tm2μm高效激光输出，此波长对水吸收强烈，掺铥激光器成为精密医疗手术和大气探测的理想光源医疗领域的稀土材料稀土元素在现代医疗技术中扮演着关键角色，从诊断到治疗铒激光医疗应用铒（）激光波长为，与人体组织中水分子高度匹配，可精准Er

2.94μm切割软组织而最小化热损伤，广泛用于皮肤美容、牙科和眼科手术铥用于射线技术X铥（）氧化物用作射线增感屏的关键材料，可将射线转换为可Tm XX见光，大大降低患者接受的辐射剂量，提高成像质量镱在牙科材料中的应用铒激光手术具有精准度高、恢复快的特点，已成为现代微创医镱（）合金具有优异的机械性能和生物相容性，用于高端牙科修复Yb疗的重要技术材料，提供长久的使用寿命和美观效果稀土在新能源与环保中的角色稀土催化剂氢能源材料以铈（）为代表的稀土催化剂用于石油镧（）基合金是高效氢储存材料的关键成Ce La裂化和汽车尾气处理，一辆现代汽车的三元分，可安全储存氢气，为燃料电池提供能催化转化器中含约克稀土，可降低有害气源稀土也是固体氧化物燃料电池的核心材50体排放以上料90%焊接技术轻量化材料含铒（）的铝合金电极可显著提高焊接效添加少量钪（）可显著提高铝合金强Er Sc率和焊缝质量，为新能源装备制造提供支持度，实现材料轻量化，在航空航天领域节省燃料并减少碳排放稀土材料在绿色技术领域的应用正在迅速扩展，成为实现碳中和目标的关键支撑材料现代电子产品与稀土稀土元素是现代电子产品的隐形英雄稀土在高科技领域的深度应用，尽管含量很少，但功能不可替代服务器冷却系统采用高效稀土磁制•冷材料智能手机屏幕抛光粉中含有约的氧50%激光手术设备依赖稀土掺杂晶体产•化铈，用于精细抛光玻璃表面生精准激光手机扬声器和振动马达中的永磁体含有核电站控制棒使用铕、钆等稀土元素中钕、镨、镝等元素子吸收材料数据中心的硬盘驱动器使用稀土永•先进国防装备中稀土材料用量是民•磁材料，提高数据存储密度用的倍10-100钕铁硼永磁体电动汽车的心脏图中展示的是电动汽车驱动电机内部结构，其中环形排列的银色部分是钕铁硼永磁体这些高性能稀土永磁体是电机高效运转的关键，直接决定了电动汽车的续航里程和性能表现每台电动汽车平均使用公斤钕铁硼永磁体，含稀土元素约随着全球电动汽1-230%车产业快速发展，这一应用已成为稀土需求增长的主要驱动力除了永磁体外，电动汽车的镍氢电池、催化转化器、显示屏等部件也广泛使用稀土材料，使得单台电动汽车的稀土使用量远高于传统燃油车具体元素案例分析铒（）Er铒的发现与命名铒于1843年由瑞典化学家莫桑德在钇土中发现，命名源自瑞典小镇Ytterby，这个小镇是多种稀土元素发现地光纤通信的关键掺铒光纤放大器（EDFA）的发明彻底改变了全球通信技术铒离子在1550nm波长区域的受激发射特性，使其成为长距离光通信的理想放大材料医疗激光应用铒激光在医疗领域展现独特价值铒:YAG激光（2940nm）对水吸收极强，可精确切割软组织而最小化热损伤，广泛应用于皮肤、牙科和眼科手术68原子序数位于镧系元素中部

167.26原子量具体元素案例分析镱（）Yb镱的资源分布镱是一种重稀土元素，地壳丰度约为

3.2ppm主要存在于离子吸附型稀土矿中，中国南方的重稀土矿区是全球镱资源的主要来源高效激光材料掺镱光纤激光器是现代工业激光的重要分支镱离子的简单能级结构使其具有极高的激光效率（可达80%以上），并能实现千瓦级输出功率，已成为工业切割、焊接的主流技术军事应用镱激光在军事领域有重要应用掺镱激光测距仪可在10公里外精确测量目标距离，误差小于1米，是现代精确制导武器的关键组件70原子序数重稀土元素

173.04原子量g/mol

3.2具体元素案例分析铥（）Tm铥的稀有性医学应用铥是最稀有的稀土元素之一，地壳铥是一种重要的医用放射性同-170丰度仅为年由瑞典化位素，半衰期天，发射低能

0.5ppm

1879128.6γ学家克莱维发现，命名源自北欧神射线，用于便携式光机射线源这X话中的托尔铥化合物呈现美丽种轻便光设备可用于战场和偏远地X的蓝色，是稀土中为数不多的有色区的医疗诊断，也用于放射治疗中元素之一的肿瘤定位激光材料掺铥激光器工作在约波长，此波长对水分子吸收强，可用于精密组织切割2μm和大气监测铥激光在雷达、激光雷达系统中具有眼睛安全特性，是自动驾驶感知系统的理想选择稀土元素的分离与提纯技术稀土元素分离提纯是冶金工业中最具挑战性的任务之一化学分离难点稀土元素化学性质极为相似，相邻元素的分离系数常小于，传统化学方法难以

1.5有效分离早期科学家需要进行数百次重结晶才能获得纯净的单一稀土元素现代分离技术溶剂萃取法是当前工业化稀土分离的主流技术，通过有机萃取剂在不相溶的两相间的分配差异实现分离离子交换法则用于高纯稀土的制备，纯度可达

99.9999%环境挑战与绿色技术传统稀土分离过程会产生大量酸性废水和含氨氮废水近年来，超临界CO₂萃取、生物吸附等绿色提取技术正在研发中，旨在降低环境影响并提高资源利用率第三章稀土材料的全球产业与未来趋势分析稀土产业的全球格局、供应链安全与未来发展方向全球稀土资源分布稀土供应链与地缘政治1年中日稀土争端2010年月，中国暂停对日本出口稀土，被视为对钓鱼岛争端的回20109应此事件引发全球关注，日本、美国等国开始重视稀土供应链安全问题2供应多元化2015-2020各国加速推进稀土供应多元化战略日本投资澳大利亚公司，Lynas美国重启矿区，欧盟启动稀土供应链弹性计划Mountain Pass3年至今稀土在国防中的地位2021稀土被多国列为关键战略矿产一架战斗机需要约公斤稀F-35420土材料，一艘核潜艇需要约吨稀土供应安全已成为国家安全战略的4重要组成部分稀土供应链的地缘政治复杂性正在加剧，各国加速构建本土稀土产业链的同时，全球稀土回收与循环利用也成为重要发展方向稀土材料的市场需求增长全球稀土需求正快速增长，主要由以下领域驱动绿色能源转型电动汽车产业预计到年将消耗全球的稀土产量单台风203025%力发电机需要以上的稀土永磁材料600kg数字基础设施基站密度是的倍以上，每个基站使用更多稀土磁性材料5G4G3全球数据中心扩张持续拉动稀土需求前沿科技领域量子计算、超导材料、激光武器等前沿技术对特定稀土元素（如钪、钬、铽）有特殊需求稀土材料的回收与可持续发展稀土回收技术现状稀土回收面临多重挑战稀土在终端产品中分散度高，浓度低•回收工艺复杂，经济性不足•缺乏完整的回收体系和政策支持•电子废弃物中的城市矿山全球每年产生约万吨电子废弃物，其中含稀土量相当于一个中等规模矿山的年产5000量废旧硬盘驱动器、废弃手机中的稀土永磁体是回收的重点目标绿色制造与循环经济电子废弃物中含有大量稀土元素，但目前全球稀土回收率低于，存在巨大提升空间5%稀土产业正向循环经济模式转型设计阶段考虑材料回收•开发直接再利用技术，避免复杂化学处理•建立完整的回收体系和标准•稀土材料的未来研究方向新型稀土合金纳米稀土材料开发高性能、低稀土含量的新型合金材料，稀土纳米材料展现独特性能，如氧化铈纳米如低镝高矫顽力钕铁硼磁体，通过晶界扩散颗粒具有优异的催化和抗氧化性能，可用于技术减少重稀土用量生物医学和环境治理30-50%生物医学应用环境治理技术稀土上转换纳米材料可将近红外光转换为可稀土基功能材料用于水污染物降解、二氧化见光，用于生物成像和光动力治疗，实现深碳捕获与转化，助力环境可持续发展层组织的无创诊疗未来稀土研究将更加注重材料的高效利用和多功能集成，通过结构设计和界面工程实现性能优化，同时降低稀土用量和环境影响全球稀土矿产分布与生产格局上图展示了全球主要稀土矿产资源分布和产量情况中国作为最大的稀土生产国，产量占全球约，主要矿区分布在内蒙古包头（以轻稀土为主）和南方七省（以69%重稀土为主）其他主要生产国包括美国矿区，以轻缅甸南部矿区，重稀土资源丰富•Mountain Pass•稀土为主越南北部红河三角洲地区，潜力•澳大利亚矿区，产巨大但开发有限•Mount Weld品主要出口日本课堂小结稀土元素基础核心应用领域全球产业格局稀土元素包含种镧系元素及钇、钪共稀土材料在永磁（钕铁硼、钐钴）、光电全球稀土资源分布不均，中国占主导地位1517种元素，尽管名为稀土，但在地壳中并子（掺铒光纤、激光晶体）、医疗（铥但各国正积极推进供应多元化稀土被视X不稀少它们具有独特的电子结构，决射线、铒激光）和新能源（催化剂、氢储为战略资源，在国防和高科技产业中具有4f定了其特殊的磁性、光学和电子特性存）等领域扮演不可替代的角色关键地位稀土材料是现代高科技产业的基石，了解稀土知识对把握未来技术发展方向具有重要意义随着全球绿色转型加速，稀土需求将持续增长，资源可持续利用和供应链安全将成为关注焦点互动环节稀土材料的未来你怎么看？颠覆性应用你认为未来五年内，哪些稀土应用最具颠覆性潜力？1稀土基量子材料用于量子计算？•新型稀土磁制冷技术取代传统压缩制冷？•稀土催化剂在二氧化碳转化中的突破？•可持续发展面对稀土开采带来的环境挑战，你认为最有前景的解决方案是什么？2城市矿山开发与电子废弃物回收？•生物冶金与绿色提取技术？•低稀土或无稀土替代材料研发？•研究热点作为研究者，你最感兴趣的稀土研究方向是什么？3稀土纳米材料在生物医学中的应用？•稀土功能材料在能源转换与存储中的作用？•稀土元素在自旋电子学中的新型应用？•推荐学习资源课程资源科研论文推荐国立阳明交通大学《稀土材料化学与物理》开放课程《》OCW Recentadvances inrare earthpermanent magnets,Journal中国科学院长春应用化学研究所《稀土功能材料设计与制备》系列讲of MaterialsResearch,2022座《稀土功能材料在光通信中的应用进展》无机材料学报,,2023哈佛大学平台《《edX MaterialsScience:10x-Specialized Rare Earth Recoveryfrom E-waste:Progress and》课程》Materials Perspectives,ACS SustainableChemistryEngineering,2021行业报告在线资源《》欧盟稀土战略报告EIT RawMaterials2025中国稀土学会官方网站《》www.cs-re.org.cnCritical MineralsMarket Outlook2023-2030资源库《中国稀土状况白皮书（版）》RareEarthTechnology Alliance2023稀土信息网行业动态与技术前沿以上资源将帮助您深入了解稀土材料科学与工程的前沿进展，建议结合实验室实践和行业参观，形成理论与实践相结合的学习体系致谢特别感谢1730+感谢各位同学的专注聆听与积极参与！希望本次课程能够帮助您建立对稀土材料的系统认识，激发您对这一领域的研究兴趣稀土元素应用领域课后交流构成现代工业的关键材料从传统工业到前沿科技欢迎通过以下方式继续交流•课后答疑时间每周三14:00-16:008%研究生交流群扫描右侧二维码•实验室开放日每月第一个周五年增长率•全球稀土材料市场规模结束语稀土材料，现代科技的隐形英雄稀土元素虽然在我们日常生活中隐形，但它们是推动现代科技进步的关键力量从智能手机到电动汽车，从风力发电到医疗诊断，稀土材料无处不在掌握稀土知识，就是把握未来科技发展的脉搏在全球向绿色经济转型的关键时期，稀土材料将发挥更加重要的作用让我们共同探索稀土的无限可能，为创造更美好的未来贡献智慧和力量！。