● 張文燦 郭詠梅 楊麗/文

1843 年，瑞典科學(xué)家莫桑德爾（C.G.Mosander）在對(duì)釔土的研究中發(fā)現(xiàn)了鋱?jiān)兀═erbium），于1905 年由烏貝因（G.Urbain）第一次提純制出。

鋱（Tb）原子序數(shù)65，相對(duì)原子質(zhì)量159，電負(fù)性1.2，在元素周期表中屬于鑭系元素，具有一定的毒性。鋱屬于重稀土，單質(zhì)為柔軟且有延展性的銀白色金屬，密度8.27g/cm3，熔點(diǎn)1356℃，沸點(diǎn)3230℃，與其他稀土金屬一樣，化學(xué)性質(zhì)活潑，能與許多金屬元素形成合金或金屬間化合物?；瘜W(xué)反應(yīng)中可呈正三價(jià)和正四價(jià)，其氧化物分子式為Tb4O7，相當(dāng)于兩個(gè)TbO2和一個(gè)Tb2O3。

鋱?jiān)诘貧ぶ械呢S度很低，為1.1ppm，在稀土元素豐度中位列第14 位，僅僅高于銩、镥和钷，常常以化合物的形式存在于磷釔礦和黑稀金礦內(nèi)，少量存在于磷鈰釷砂和硅鈹釔礦中，通常與其他稀土元素共存。在我國(guó)白云鄂博稀土礦中，氧化鋱?jiān)诳傁⊥林姓加辛坎蛔?.01%，即便是在江西贛州龍南地區(qū)含鋱最高的高釔離子型重稀土礦中，鋱的含量也僅占總稀土的1.1%～1.2%左右，可見，它屬于稀土元素中的“貴族”，由于鋱的稀缺和貴重，使它在過去很長(zhǎng)一段時(shí)間未獲得實(shí)際應(yīng)用。但隨著全球制造業(yè)的迅猛發(fā)展，鋱?jiān)氐膬?yōu)異性能得以體現(xiàn)，應(yīng)用范圍不斷拓展，在三基色熒光粉、稀土永磁材料、磁致伸縮材料、磁光存儲(chǔ)材料等尖端技術(shù)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

1.鋱?jiān)谌珶晒夥壑械膽?yīng)用

稀土元素?fù)碛刑厥獾?f 電子軌道（14 個(gè)），在外界能量的激發(fā)下會(huì)產(chǎn)生豐富的電子躍遷，并將吸收的能量以光的形式放出，從而產(chǎn)生特殊的熒光?，F(xiàn)代光電子材料都要用紅、綠、藍(lán)三種基本顏色的熒光粉，即為三基色熒光粉，鋱可用作三基色熒光粉中綠粉的激活劑，是許多優(yōu)質(zhì)綠色熒光粉不可缺少的組分。彩色電視紅色熒光粉的誕生刺激了對(duì)釔和銪的需求，而燈用稀土三基色綠色熒光粉則推動(dòng)了鋱的應(yīng)用發(fā)展。

20 世紀(jì)80 年代初，菲利普發(fā)明了世界上第一支緊湊型節(jié)能熒光燈，并很快在全球推廣，Tb3+離子可以發(fā)出波長(zhǎng)為545nm 的綠光，幾乎所有的稀土綠色熒光粉都用鋱做激活劑，如用鋱激活的磷酸鹽基質(zhì)、硅酸鹽基質(zhì)、鈰鎂鋁酸鹽基質(zhì)在激發(fā)狀態(tài)下均發(fā)出綠色光。鋱還被用作醫(yī)用X 射線增強(qiáng)屏的熒光粉激活劑，與傳統(tǒng)的鎢酸鈣熒光粉相比，稀土熒光粉可大大提高X 射線轉(zhuǎn)化成光學(xué)圖像的靈敏度，提高X 射線的清晰度，并能減少X 射線對(duì)人體的輻照劑量。

用鋱制造電致發(fā)光材料時(shí)，硫化鋅綠色熒光粉要以鋱為激發(fā)劑，在紫外線照射下，鋱有機(jī)配合物發(fā)射出強(qiáng)烈的綠色熒光，可制作成薄膜電致發(fā)光材料。稀土有機(jī)配合物電致發(fā)光材料薄膜研究雖然已經(jīng)取得重大進(jìn)展，但距離實(shí)用化還有一段差距，稀土有機(jī)配合物致電發(fā)光材料和器件的研究還需深化。

鋱的熒光特性還被用作熒光探針，如氧氟沙星-鋱熒光探針，利用熒光光譜、吸收光譜研究氧氟沙星-鋱絡(luò)合物與脫氧核糖核酸（DNA）的相互作用，氧氟沙星-鋱?zhí)结樑cDNA 分子之間可形成溝槽式結(jié)合，而脫氧核糖核酸能顯著增強(qiáng)氧氟沙星-鋱?bào)w系的熒光，因此可以測(cè)定脫氧核糖核酸，利用此法測(cè)定人血清中的DNA 回收率獲得了令人滿意的效果。

2.鋱?jiān)谙⊥劣来挪牧现械膽?yīng)用

近年來，隨著5G/6G 信息通訊、新能源汽車、高檔數(shù)控機(jī)床及軌道交通裝備等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，釹鐵硼材料需求持續(xù)增加。作為高性能釹鐵硼材料重要的組成元素，在釹鐵硼永磁材料中加入少量鋱和鏑，即可提高釹鐵硼永磁材料的矯頑力和溫度性能。釹鐵硼永磁材料是目前稀土用量最大的稀土功能材料，也是鋱的主要消費(fèi)領(lǐng)域之一。

在稀土永磁材料生產(chǎn)過程中，為了提高燒結(jié)釹鐵硼的矯頑力，通常通過合金化法直接向磁體中添加重稀土元素。然而，隨著重稀土量的增加，磁體磁能積和剩磁呈逐漸下降的趨勢(shì)，也使磁體生產(chǎn)成本大大增加。近年來，晶界擴(kuò)散技術(shù)可以通過消耗很少量的重稀土就能顯著的提高矯頑力，并且不會(huì)使剩磁產(chǎn)生明顯的下降。釹鐵硼晶界擴(kuò)散技術(shù)有三種主流的制備工藝：蒸鍍擴(kuò)散、磁控濺射和表面涂覆。被行業(yè)廣泛采用的是直流磁控濺射方法，該方法是將燒結(jié)釹鐵硼作為基體，鋱或鏑金屬（純度＞99.9%）作為靶材，在磁控濺射設(shè)備內(nèi)注入氬氣之后，電子與氬原子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生氬離子和新的電子，氬離子在電場(chǎng)作用下加速轟擊靶材，靶材表面的鏑或鋱?jiān)用撾x原晶格而逸出，轉(zhuǎn)移并沉積在釹鐵硼表面，靶材形成鍍膜后，放置到真空燒結(jié)爐中進(jìn)行擴(kuò)散回火處理，磁體表面的Tb、Dy 隨著高溫?cái)U(kuò)滲，經(jīng)液相富Nd 相進(jìn)入磁體內(nèi)部。磁控濺射滲鏑滲鋱技術(shù)有許多優(yōu)點(diǎn)，首先Tb、Dy 的加入可以改善釹鐵硼相之間的相互浸潤(rùn)性，優(yōu)化富Nd 相的顯微組織和成分分布，使其變得連續(xù)、平直；其次，Tb、Dy 具有較大的磁晶各向異性場(chǎng)，可有效抑制主相間的磁耦合，進(jìn)入磁體內(nèi)部后可以顯著提升磁體的矯頑力。

3.鋱?jiān)诖胖律炜s材料中的應(yīng)用

材料在磁場(chǎng)作用下發(fā)生長(zhǎng)度或體積變化的現(xiàn)象被稱為磁致伸縮。20 世紀(jì)末，美國(guó)衣阿華州立大學(xué)、美國(guó)能源部和美國(guó)海軍水面武器研究中心合作研制出了鋱鏑鐵磁致伸縮材料，開辟了鋱的新用途。鋱鏑鐵磁致伸縮材料的磁致伸縮系數(shù)比一般磁致伸縮材料高約100-1000 倍，因此被稱為超磁致伸縮材料，能實(shí)現(xiàn)磁電能與機(jī)械能的高效轉(zhuǎn)換，具有轉(zhuǎn)換效率高、驅(qū)動(dòng)電壓低，體積小、承受高壓強(qiáng)等特點(diǎn)，通過與計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)的結(jié)合，派生出了一系列新技術(shù)、新工藝和新設(shè)備。

稀土磁致伸縮材料作為一種重要的智能材料，是提高一個(gè)國(guó)家尖端技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力的重要材料，被看作21 世紀(jì)重要的戰(zhàn)略性功能材料，西方發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)其尤為重視，美國(guó)政府把它列為對(duì)我國(guó)控制出口的先進(jìn)材料。鋱鏑鐵超磁致伸縮材料的應(yīng)用范圍很廣，除可用于機(jī)械、電子、汽車等行業(yè)外，還可用于水利工程、地球物理探測(cè)和油田采油裝置上。未來，鋱鏑鐵磁致伸縮材料將更廣泛的應(yīng)用于精密機(jī)械傳感器、衛(wèi)星定位系統(tǒng)、微型助聽器、精密機(jī)床、阻尼減震等領(lǐng)域。

我國(guó)的機(jī)床制造水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，精密機(jī)床、數(shù)控機(jī)床僅占國(guó)內(nèi)機(jī)床在用總量的1.7%，造成這種局面的重要原因就是精密機(jī)床上配置的精密快速進(jìn)給系統(tǒng)與國(guó)外差距較大。而采用鋱鏑鐵超磁致伸縮材料制成的精密制動(dòng)器能夠?qū)崿F(xiàn)這方面的突破，目前，我國(guó)已能批量生產(chǎn)并開發(fā)出一些機(jī)床行業(yè)實(shí)用器件。

4.鋱?jiān)诖殴鈨?chǔ)存材料中的應(yīng)用

作為計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)元件，添加鋱的磁光儲(chǔ)存材料的存儲(chǔ)能力可提高10～15 倍，具有容量大及存取速度快等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)用于高存儲(chǔ)密度光盤時(shí)，可實(shí)現(xiàn)反復(fù)擦涂數(shù)萬次，具有較高的記錄速度和讀數(shù)敏感度，是電子信息存儲(chǔ)技術(shù)的重要材料。目前，鋱系磁光儲(chǔ)存材料已被大規(guī)模制成磁光光盤。

在可見光及紅外波段目前最常用的磁光材料是鋱鎵石榴石單晶，是用于制作法拉第旋光器與隔離器的最佳磁光材料，還有摻鋱的磁光玻璃都具有優(yōu)異的磁光旋轉(zhuǎn)特性及良好的機(jī)械、物理和光學(xué)性能，是制造體積小、能產(chǎn)生高性能可見光的近紅外法拉第光旋轉(zhuǎn)器、隔離器和環(huán)形器的關(guān)鍵材料，廣泛應(yīng)用于激光技術(shù)。

5.鋱的生物學(xué)效應(yīng)

由于稀土易形成配合物的特性，對(duì)稀土元素的生物學(xué)效應(yīng)起到了決定性作用。鋱能以混合稀土的形式被農(nóng)牧業(yè)利用，比如用作農(nóng)用稀土復(fù)合肥、飼料添加劑等。添加稀土元素鋱?jiān)谝欢舛确秶鷥?nèi)能改善農(nóng)作物的品質(zhì)，提高光合作用的速率，鋱的三元配合物對(duì)金黃色葡萄球菌、枯草芽孢菌和大腸桿菌均有良好的抑菌殺菌效果，具有抑菌廣譜性，該類配合物的研究也為現(xiàn)代殺菌藥物提供了一種新的研究方向。但是由于稀土元素鋱具備獨(dú)特的生物學(xué)和毒理學(xué)效應(yīng)，其一旦進(jìn)入生態(tài)環(huán)境，會(huì)不可避免地間接或直接進(jìn)入人體，稀土元素鋱?jiān)诩Z食、蔬菜和人體中是否會(huì)積累，對(duì)長(zhǎng)期食用稀土多元復(fù)合肥種出的糧食的人會(huì)產(chǎn)生什么影響等問題均未有定論。相信隨著研究的逐步深入，含鋱稀土物質(zhì)的使用和擴(kuò)散一定會(huì)得以科學(xué)有效的駕馭，從而確保環(huán)境與人類健康的安全性，因此在大力開發(fā)和利用鋱的同時(shí)，其可能產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境問題及對(duì)人體健康的影響應(yīng)該引起我們足夠的關(guān)注與重視。

總之，鋱的許多優(yōu)異特性使其成為眾多功能材料重要組分，在一些領(lǐng)域甚至處于舉足輕重的位置。但由于鋱的價(jià)格昂貴，科研人員致力于研究鋱的減量化技術(shù)，以求在保持性能的前提下降低生產(chǎn)成本。例如，為提高釹鐵硼永磁材料的矯頑力，盡量采用價(jià)格相對(duì)便宜的金屬鏑；稀土磁光材料也盡可能采用低成本的鏑鐵鈷或釓鋱鈷；在不得不用的綠色熒光粉中也盡量減少鋱的使用量。可見，價(jià)格已成為限制鋱應(yīng)用范圍的主要因素。

近年來，隨著國(guó)家一系列管控政策的實(shí)施，我國(guó)稀土行業(yè)曾經(jīng)一度混亂無序的狀態(tài)得到扭轉(zhuǎn)，行業(yè)秩序得以持續(xù)改善，以鋱為代表的重稀土資源需求強(qiáng)勁。2020年全年氧化鋱國(guó)內(nèi)需求大幅增加，供應(yīng)嚴(yán)重不足，導(dǎo)致鋱價(jià)格持續(xù)上漲，截至2021 年2 月份，氧化鋱（純度99.99%）均價(jià)達(dá)到891.12 萬元/噸，較去年同期上漲141.28%，金屬鋱均價(jià)為1127.77 萬元/噸，較去年同期上漲143.95%，預(yù)計(jì)鋱的價(jià)格將繼續(xù)維持高位。未來，豐度較低的鋱鏑等稀土元素在稀土全產(chǎn)業(yè)鏈中將主要定位于高附加值的高科技產(chǎn)品，相關(guān)國(guó)家管控政策不僅要保證貨源供應(yīng)的穩(wěn)定性，更重要的是掌控戰(zhàn)略性稀土元素的價(jià)格話語權(quán)，同時(shí)稀土行業(yè)更要合理保護(hù)、開發(fā)這類寶貴的礦產(chǎn)資源，并大力發(fā)展鋱的循環(huán)經(jīng)濟(jì)，不斷開拓鋱、鏑等重稀土元素自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)及核心技術(shù)，促進(jìn)稀土行業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展。