60 钕超强永磁体的元素

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2019/5/10
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Author:Peng Li

本文作者漂泊

钕是一种重要的稀土元素，它是制造钕铁硼稀土永磁体的重要材料，也是激光器增益介质的重要掺杂元素，钕玻璃固态激光器所产生的激光束可用于核聚变当中的惯性约束。除了工业用途，钕玻璃由于具有亮丽的色泽，也颇受收藏家们的喜爱。

钕的基本物理性质

分类	第ⅢB族▪金属（镧系元素）
原子序号・原子量	60(144.242)
电子配置	4f⁴6s²
密度	7.004g/cm³
熔点	1024°C
沸点	3074°C
色・形状	银白色金属
丰度	38ppm（地壳）
发现者	Carl Auer von Welsbach
主要的同位素	¹⁴²Nd,¹⁴³Nd,¹⁴⁴Nd,¹⁴⁵Nd,¹⁴⁶Nd,¹⁴⁸Nd,¹⁵⁰Nd
用途例	永磁铁、激光器、玻璃
前后的元素	镨-钕-钷

钕的发现

1751年，瑞典矿物学家Axel Fredrik Cronstedt在Bastnäs的矿山发现了一种矿物，这种矿物后来命名为Cerite。三十年后，15岁的Vilhelm Hisinger，Cerite矿山所有者的儿子，将Cerite的样品寄给了Carl Scheele这位著名的瑞典化学家进行分析，但是Scheele并没有在在这种矿物中找到任何新元素。

1803年，在Hisinger成为铁匠后，他与JönsJacobBerzelius一起重新研究了Cerite矿，在从这种矿物中并分离出了一种新的氧化物，他们用两年前发现的矮行星 Ceres的名字将这种氧化物命名为二氧化铈。在1839-1843年，瑞典化学家Carl Gustaf Mosander证明氧化铈是多种氧化物的混合物，这意味着该混合物中可能还含有未知的新元素。后来他成功的从这个混合物体系中分离出了镧和didymium（镨钕混合物）。

1885年奥地利化学家Carl Auer von Welsbach又从didymium中分离出了两种新的氧化物，其中一种被命名为Neodidymium，后来被简化为Neodymium，这既是钕元素，其元素符号为Nd。大多数的钕化合物呈粉红色或紫色，这主要是Nd³⁺的原因。^[1-2]

金属钕硫酸钕晶体

钕铁硼磁铁

钕铁硼磁铁是由钕、铁、硼三种元素组成的四方晶体，其化学组成为Nd₂Fe₁₄B。虽然硼的含量较小，但却对形成四方晶体结构金属间化合物起着重要作用，使得化合物具有高饱和磁化强度，高的单轴各向异性以及较高的居里温度。1982年，日本住友特殊金属的佐川真人发现了钕铁硼磁铁。这种磁铁的磁能积大于当时已发现的钐钴磁铁，是当时全世界磁能积最大的物质。之后住友特殊金属通过发展粉末冶金法实现了钕铁硼磁铁的制备，而通用汽车公司也通过发展旋喷熔炼法获得了工业级的钕铁硼磁铁。这种磁铁是目前磁性仅次于绝对零度钬磁铁的永久磁铁，也是最为常用的稀土磁铁。它的磁能积是铁氧体磁铁的5-12倍，是铝镍钴磁铁的3-10倍；它的矫顽力相当于铁氧体磁铁的5-10倍，铝镍钴磁铁的5-15倍，其潜在的磁性能极高，能吸起相当于自身重量640倍的重物。钕铁硼磁铁被广泛硬盘、手机等电子产品中，是一种非常重要的永磁材料。

目前我们常用的永磁体除了钕铁硼磁铁这种稀土磁铁，还有铁氧体磁铁。铁氧体磁铁是一种具有铁磁性的金属氧化物，通常是三氧化二铁与其他一种或多种金属氧化物组成的复合氧化物(或正铁酸盐)。铁氧体的电阻率比金属、合金磁性材料大得多，而且具备较高的介电性能。铁氧体的磁性能还表现在高频时具有较高的磁导率。因而，铁氧体磁铁已成为高频弱电领域用途广泛的非金属磁性材料。它常应用于音箱、喇叭等设备。

与铁氧体磁铁相比，钕铁硼磁铁的优点是性价比高，具良好的机械特性；它的不足之处在于居里温度点低，温度特性差，且易于粉化腐蚀，必须通过调整其化学成分和采取表面处理方法使之得以改进，如掺杂镨、钴等其他金属元素，以及用金、镍、锌、锡进行电镀，或在表面喷涂环氧树脂等。经过这样处理之后才能达到实际应用的要求。

钕铁硼属于第三代稀土永磁材料，具有体积小、重量轻、能量密度高和磁性强的特点，是目前性能价格比最佳的磁体，在现代工业和电子技术中获得了广泛的应用。^[3-8]

Nd₂Fe₁₄B晶体结构示意图钕铁硼磁铁

掺钕钇铝石榴石激光器

具有低浓度Nd³⁺的一些透明材料可以作为红外波段激光器的增益介质。例如，Nd³⁺作为杂质掺入钇铝石榴石中所制成的激光器就是目前最重要的激光系统之一，其在室温下的发射波长为1.0641微米。这种激光器所产生的光束在工业上广泛用于厚度在10mm以下薄膜材料的焊接和切削。在医疗领域，掺钕钇铝石榴石激光器可代替手术刀用于一些摘除手术或消毒创伤口。

钕玻璃固态激光器由于能产生极高功率和能量的激光束，因此可用于核聚变当中的惯性约束。^[9]

Nd³⁺激光器激光产生原理图用于钕玻璃固态激光器的钕玻璃激光惯性约束核聚变

钕玻璃

在玻璃熔体中添加Nd₂O₃可以制备钕玻璃，在白炽灯下或日光照射下，钕玻璃会呈现出薰衣草色，而在荧光灯下，它则呈现出淡蓝色的色泽。钕的尖锐吸收谱带是导致钕玻璃颜色在不同光照条件下发生变化的原因。钕玻璃色泽的来源主要是钕的f-f禁阻跃迁，钕所处的化学环境对其影响较小，由于f-f禁阻跃迁的性质，这使得钕相对于其他d区过渡金属元素而言，需要更多的用量才能获得相同吸光度玻璃，通常钕玻璃在制造过程中会向玻璃熔体中添加了5%的Nd₂O₃。

钕玻璃由于其漂亮的色泽，从1927年第一次制备成功至今一直都是一种非常重要的商用玻璃，“Alexandrite，Fostoria”等玻璃品牌至今仍享有很高的赞誉。在钕玻璃中掺杂金或硒，和可以获得艳丽的红色。除了观赏价值，钕玻璃也用于室内摄影中的色彩增强滤光片，用于滤除白炽灯光下的黄色色调；钕玻璃在白炽灯泡中的使用越来越广泛，这些玻璃灯泡中添加了钕用以滤除黄光，从而产生更白的光，以更像阳光的效果。除此之外，钕玻璃也用在天文工作中作为校正谱线之用。^[10-12]

不同灯光下的钕玻璃灯泡（左边是荧光灯，右边是白炽灯）钕玻璃块

参考文献

[1]v. Welsbach, Carl Auer (1885). “Die Zerlegung des Didyms in seine Elemente”. Monatshefte für Chemie und verwandte Teile anderer Wissenschaften.6(1): 477–491.doi:10.1007/BF01554643.ISSN 0343-7329.
[2]Krishnamurthy, N.; Gupta, C. K. (2004). Extractive Metallurgy of Rare Earths. CRC Press. p. 6.ISBN 978-0-203-41302-9.
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[4]As hybrid cars gobble rare metals, shortage looms, Reuters, August 31, 2009.
[5]Pyrhonen, Juha; et al. Design of Rotating Electrical Machines. John Wiley & Sons. 2009: pp. 202. ISBN 9780470740088.
[6]高汝伟，王标，刘汉强等. 高性能烧结钕铁硼磁体的研究与开发(一)．《磁性材料及器件》，2004
[7]高汝伟，王标，刘汉强等. 高性能烧结钕铁硼磁体的研究与开发(二)．《磁性材料及器件》，2005
[8]贺琦军，李卫. 钕铁硼永磁材料防腐蚀研究发展．《金属功能材料》，2001
[9]Norman, M. J.; Andrew, J. E.; Bett, T. H.; Clifford, R. K.; et al. (2002). “Multipass Reconfiguration of the HELEN Nd:Glass Laser at the Atomic Weapons Establishment”. Applied Optics.41(18): 3497–505.Bibcode:2002ApOpt..41.3497N.doi:10.1364/AO.41.003497.PMID 12078672.
[10]Charles Bray (2001).Dictionary of glass: materials and techniques. University of Pennsylvania Press. p. 102.ISBN 0-8122-3619-X.
[11]Baader Neodymium Filter, First Light Optics.
[12]“History of Light, subheading “Timeline”, 2001″. Archived fromthe originalon 2010-02-13. Retrieved 2010-08-23.