一、稀土在玻璃中的應(yīng)用 ����

    玻璃制造已有五千多年的歷史，光學(xué)玻璃的生產(chǎn)也有近二百年的歷史，而稀土元素應(yīng)用于玻璃制造中卻只有近百年的歷史。目前，稀土在玻璃制造業(yè)中較為成熟的應(yīng)用有：稀土玻璃脫色澄清劑、著色劑、光學(xué)玻璃、玻璃拋光、特種玻璃等。另外，稀土還可以用來制造其它新型玻璃，如著色感光玻璃、光敏微晶玻璃、光致變色玻璃、旋光玻璃、有色玻璃、紅外玻璃和防輻射玻璃。近30年來，由于信息、通訊、原子能、電子工業(yè)和空間技術(shù)的發(fā)展，稀土元素已成為玻璃、激光玻璃、光學(xué)纖維、耐輻射玻璃等光功能玻璃的重要成份。 ����

    稀土光學(xué)玻璃品種已達(dá)300種，被廣泛地用作航空攝影、高級(jí)照相機(jī)、攝像機(jī)、望遠(yuǎn)鏡、電影、顯微鏡和其它光學(xué)儀器中的光學(xué)玻璃。稀土光學(xué)玻璃的發(fā)展對(duì)于提高成像質(zhì)量、簡化鏡頭設(shè)計(jì)、擴(kuò)大相對(duì)孔徑等具有十分重要意義，也可以制造長焦距、變焦距、高倍顯微鏡頭等。其中稀土元素鑭是光學(xué)玻璃中不可缺少的重要成分。鑭能大量溶于玻璃中，提高玻璃的折射率、降低色散、增大玻璃的硬度。

1．稀土在光學(xué)玻璃中主要作用

（1）稀土拋光作用 ����

    稀土拋光粉具有拋光速度快、光潔度高和使用壽命長的優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)拋光粉—鐵紅粉相比，不污染環(huán)境，易于從沾著物上除去等優(yōu)點(diǎn)。用氧化鈰拋光粉拋光透鏡，一分鐘完成的工作量，如用氧化鐵拋光粉則需要30～60分鐘。所以，稀土拋光粉具有用量少、拋光速度快以及拋光效率高的優(yōu)點(diǎn)。而且能改變拋光質(zhì)量和操作環(huán)境。一般稀土玻璃拋光粉主要用富鈰氧化物。氧化鈰之所以是極有效的拋光用化合物，是因?yàn)樗�能用化學(xué)分解和機(jī)械摩擦二種形式同時(shí)拋光玻璃。稀土鈰拋光粉廣泛用于照相機(jī)、攝影機(jī)鏡頭、電視顯像管、眼鏡片等的拋光。目前我國有稀土拋光粉廠幾十家，生產(chǎn)規(guī)模上百噸的十余家。中外合資包頭天驕清美稀土拋光粉有限公司是我國目前最大的稀土拋光粉廠之一，年生產(chǎn)能力1200噸，產(chǎn)品銷往國內(nèi)外。 （2）玻璃脫色 ����

    所有玻璃里都含有氧化鐵，它能通過原料、砂子、石灰石和玻璃配料中的碎玻璃帶入玻璃，其存在形式有兩種：一種是使玻璃顏色變成深藍(lán)的二價(jià)鐵，另一種使玻璃顏色變成黃色的三價(jià)鐵，脫色就是把二價(jià)鐵離子氧化成三價(jià)鐵，因?yàn)槿齼r(jià)鐵的色調(diào)強(qiáng)度只有二價(jià)鐵的十分之一。然后添加補(bǔ)色劑，把顏色中和成淺綠色。 ����用于玻璃脫色的稀土元素主要是氧化鈰和氧化釹。稀土玻璃脫色劑取代傳統(tǒng)使用的白砒脫色劑，不僅提高效率，而且還避免了白砒的污染。氧化鈰用于玻璃脫色具有高溫性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉和不吸收可見光等優(yōu)點(diǎn)。

（3）玻璃著色 ����

    稀土離子在高溫下具有穩(wěn)定而鮮艷的顏色，用來摻入料液中，制造各種顏色的玻璃。釹、鐠、鉺、鈰等稀土氧化物都是極佳的玻璃著色劑，當(dāng)添加稀土著色劑的透明玻璃吸收波長為400～700納米的可見光時(shí)，呈現(xiàn)出美麗的彩色。用這些彩色玻璃可以制作航空航海、各種交通工具的指示燈罩及各種高級(jí)藝術(shù)裝飾品。 ����

    氧化釹加入鈉－鈣玻璃和鉛玻璃中，玻璃顏色的深淺取決于玻璃的厚度和釹的含量以及光源的強(qiáng)弱，薄玻璃呈淡粉紅色，厚玻璃呈蘭紫色，這種現(xiàn)象稱為釹的雙色性；氧化鐠產(chǎn)生一種類似于鉻的綠色；氧化鉺用在光致變色玻璃和水晶玻璃中呈粉紅色；氧化鈰和二氧化鈦結(jié)合使用，使玻璃呈黃色；氧化鐠和氧化釹可用于鐠釹黑玻璃。

（4）稀土澄清劑 ����

    采用氧化鈰代替?zhèn)鹘y(tǒng)的氧化砷作玻璃澄清劑，清除氣泡和微量帶色元素，在制備無色玻璃瓶時(shí)效果顯著，成品晶熒潔白、透明度好、玻璃強(qiáng)度和耐熱性提高。同時(shí)還消除了砷對(duì)環(huán)境和玻璃的污染。 ����

    另外，氧化鈰添加在日用玻璃，如建筑和汽車用玻璃，能減少紫外線的透光率，該用途在日本和美國已推廣使用。在我國隨著生活質(zhì)量的提高，也會(huì)有較好的市場(chǎng)。氧化釹添加在顯像管玻殼中，可消除紅色光的色散，增加了清晰度。添加稀土的特種玻璃有：鑭玻璃具有高折射、低色散特性，廣泛用于制造各種透鏡和高級(jí)照相機(jī)、攝像機(jī)鏡頭，尤其是高空攝影裝置的鏡頭；鈰防輻射玻璃，用于汽車玻璃和電視玻殼；釹玻璃用于激光材料，是巨型激光器最理想的材料，主要用于受控核聚變裝置。

2．其它稀土新型玻璃

（1）稀土著色感光玻璃 ����

    在玻璃中引入銅、銀、銻等熱還原劑以及少量CeO2增感劑，經(jīng)紫外線照射后，在其內(nèi)部進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，金（銀）離子還原成原子狀態(tài)。隨著銀濃度和吸收輻射劑量不同，這些懸浮膠體可使玻璃呈黃、紅或棕色。玻璃的色調(diào)、彩色和透明度與顯色處理的溫度、時(shí)間有關(guān)。

（2）光敏微晶玻璃 ����

    光敏微晶玻璃是向玻璃組成中引進(jìn)晶核劑，通過熱處理、光照射或化學(xué)處理等手段，在玻璃內(nèi)均勻地析出大量微小晶體，形成致密的、微晶相和玻璃相的多相復(fù)合體。微晶玻璃主要組成為Li2O-Al2O3-SiO2系統(tǒng)，以金、銀、銅等金屬氧化物為晶核劑、以CeO2為敏化劑。此種玻璃經(jīng)光化學(xué)加工可制得圖案復(fù)雜制品，廣泛用于印刷電路板、射流元件、電荷存儲(chǔ)管以及光電倍增管的屏。

（3）光致變色玻璃 ����

     摻入0.005～1%Ce2O3和1%MnO的硅酸鹽玻璃，它在強(qiáng)還原氣氛下可發(fā)生光色效應(yīng)。在紫外線照射下，Ce3+、Mn2+被激活，轉(zhuǎn)變成Mn3+而使玻璃變暗，其逆過程使玻璃脫色。光色玻璃可制作變色眼鏡、窗玻璃、汽車頂窗和擋風(fēng)玻璃、全息照相材料等。

（4）稀土旋光玻璃 ����

    旋光玻璃是在磁場(chǎng)的作用下，能夠使通過玻璃的光的偏振面發(fā)生偏轉(zhuǎn)或產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象的玻璃，又稱磁光玻璃。一般玻璃是弱磁性材料，含有過渡金屬離子和稀土金屬離子的氧化物玻璃一般都具有磁性。添加釔、鏑、鈥和銩等離子的磷酸鹽、硼酸鹽或氟化物玻璃，在室溫下具有強(qiáng)磁性。若玻璃中添加鈰、銪、鐠或鋱等稀土離子，可制得法拉第磁光玻璃。

（5）稀土有色玻璃 ����

    稀土獨(dú)特的細(xì)線狀吸收光譜除鑭、釓、釔、镥電子難以激發(fā)，而呈無色外，其它稀土離子具有吸收380～780mm光的性質(zhì)，并呈現(xiàn)出各自的特征色。稀土加入玻璃中，一般是作為改變透光率或調(diào)整折射或色散指標(biāo)的著色劑和脫色劑。用它制成的有色玻璃色調(diào)正、透光性好。

（6）稀土紅外玻璃 ����

    紅外玻璃是紅外光學(xué)技術(shù)的關(guān)鍵材料，廣泛使用在紅外航空攝影、紅外火炮控制系統(tǒng)、超音速飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星和各種跟蹤、遙測(cè)和從地球到衛(wèi)星或與其它星球通訊等。該類玻璃重要性能是在某特定紅外波段內(nèi)的透過率、折射率和色散、受熱時(shí)自輻射性能、機(jī)械強(qiáng)度、硬度和化學(xué)穩(wěn)定性。由于稀土元素的原子量較大，因而含稀土的玻璃具有較寬的紅外透射范圍。

（7）稀土防輻射及耐輻射玻璃 ����

    防中子射線玻璃中含有能大量吸收慢中子和熱中子的氧化物。吸收慢中子最好的元素是釓、銪、釤、钷等，耐輻射玻璃最常用的添加劑是CeO2。 另外還有稀土激光玻璃和稀土發(fā)光玻璃等。 ����

    我國稀土光學(xué)玻璃的生產(chǎn)能力已達(dá)3000噸/年，約1/10出口美國、日本、韓國。光學(xué)玻璃質(zhì)量已與日本的相當(dāng)，但成本為日本的1/3。因此中國的光學(xué)玻璃行業(yè)有很好的發(fā)展前景。

二、稀土在陶瓷中的應(yīng)用

1．日用陶瓷 ����

    中國可以稱得上是陶瓷古國。英文中“China”一詞，即是“中國”也是“瓷器”的意思。陶瓷是具有悠久歷史的材料，陶瓷材料的特點(diǎn)是硬度高、強(qiáng)度高和抗腐蝕性好，即使在高溫下也如此。過去陶瓷主要用作日常生活用品和裝飾美術(shù)品。我國眾多古代文化遺產(chǎn)和出土文物中，有許多是陶瓷珍品。 　　

    稀土在日用陶瓷中的應(yīng)用是作陶瓷顏料，含稀土陶瓷顏料的主要工業(yè)應(yīng)用是利用鐠黃作瓷釉光亮的純黃色瓷磚釉料。這種顏色在溫度高達(dá)1000℃下仍是穩(wěn)定的，可用于一次和二次燒成工藝。已占據(jù)較貴的錫黃釉料的大部分市場(chǎng)。歐洲最大的氧化鐠陶瓷色料用戶是意大利，它是擁有世界最大的瓷磚工業(yè)的國家之一。鐠黃（ZrO2-Pr6O11-SiO2）可用作瓷釉光亮的純黃色瓷磚。 ����

    加入稀土元素，瓷釉會(huì)變得很有光澤。氧化鈰用作搪瓷制品的白色遮光劑，素坯上涂一層含25%氧化鈰的釉料，然后在900℃下燒制，與傳統(tǒng)的遮光劑相比，使用氧化鈰時(shí)呈暖白色。在二次燒成工藝中，氧化鈰同其它著色氧化物一起磨細(xì)加入到釉料中，使瓷的色彩更為光亮。氧化鈰用作搪瓷制品的白色遮光劑，氧化釔用于橙色陶瓷顏料，氧化釹陶瓷顏料呈淡紫色。

2．精細(xì)陶瓷 ����

    隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子、信息、能源、空間、海洋工程以及軍事等高技術(shù)領(lǐng)域?qū)π虏牧系囊�求，賦予了陶瓷新的生命，構(gòu)成了一個(gè)新的陶瓷領(lǐng)域—精細(xì)陶瓷又稱高級(jí)陶瓷。它是在工業(yè)上使用的陶瓷基礎(chǔ)上，通過調(diào)整原料、控制化學(xué)組成、改進(jìn)工藝方法、控制材料的顯微組織和結(jié)構(gòu)等，使其成為具有某種特定性能的特殊陶瓷材料。精細(xì)陶瓷的種類極為廣泛，概括起來可分為功能陶瓷和高溫結(jié)構(gòu)陶瓷兩大類。結(jié)構(gòu)陶瓷主要利用其先進(jìn)的力學(xué)性能制備各種機(jī)械結(jié)構(gòu)零部件；功能陶瓷主要利用其特殊的電、磁、聲、光等性能來制備電容器陶瓷、磁性陶瓷、壓電陶瓷、導(dǎo)電陶瓷、電光陶瓷等。 ����

    一般來講，稀土在陶瓷中并非主要成份，它只是做為一種添加劑。稀土氧化物在精細(xì)陶瓷中的應(yīng)用，主要是作為添加劑來改進(jìn)陶瓷的燒結(jié)性、致密度、顯微結(jié)構(gòu)和相組成等以滿足在不同場(chǎng)合下使用的陶瓷的質(zhì)量和性能要求。

（1）精細(xì)陶瓷的主要分類

① 結(jié)構(gòu)陶瓷 ����

    添加稀土的氮化硅陶瓷被認(rèn)為是一種最有發(fā)展前途的高溫結(jié)構(gòu)材料，已被成功地用于發(fā)動(dòng)機(jī)部件（如汽缸襯套、活塞頭和渦輪葉片），耐磨性強(qiáng)的噴嘴、切削工具和軸承等。西方生產(chǎn)燒結(jié)氮化硅的廠家有20多家，美國和日本各有8家。 ����

    另一種添加稀土已獲廣泛應(yīng)用的是氧化鋯增韌陶瓷，是70年代發(fā)展起來的一種新型結(jié)構(gòu)陶瓷，加入稀土以后，便制得部分穩(wěn)定的氧化鋯，這種部分穩(wěn)定的氧化鋯比全穩(wěn)定的氧化鋯要堅(jiān)韌得多，生產(chǎn)這種陶瓷的廠家有24家，主要在日本、美國和英國等國家。目前已廣泛應(yīng)用于熱障涂層、氧傳感器、熱敏電阻、高溫燃料電池、人造寶石等。

②功能陶瓷 ����

    稀土功能陶瓷中的應(yīng)用主要有陶瓷電容器、導(dǎo)電陶瓷、電光陶瓷、可變電阻等。 陶瓷電容器加入稀土，主要是鑭或釹，可在大溫度范圍內(nèi)有穩(wěn)定的介電常數(shù)，以提高其使用壽命；導(dǎo)電陶瓷是一種鑭的鉻酸鹽陶瓷，在氧化環(huán)境中1900℃時(shí)仍保持穩(wěn)定，可作加熱元件，潛在的應(yīng)用是作燃料電池；電光陶瓷是利用電信號(hào)來改變光學(xué)性能的材料，在需要光信號(hào)控制的地方，特別是光纖通訊器件中，電光陶瓷的應(yīng)用日益增大，加入稀土，一般是10%的鑭，到PLZT陶瓷中，可以改善其性能，最顯著的效果是將PLZT的透光性由67%提高到98%。

（2）精細(xì)陶瓷開發(fā)現(xiàn)狀 ����

    美國礦務(wù)局分析估計(jì)，1995年高級(jí)陶瓷的銷售額為70～110億美元之間，2000年則為59～200億美元，商務(wù)通信公司估測(cè)美國1995年高級(jí)陶瓷市場(chǎng)總額為42.95億美元，2000年則為64.22億美元。不過加稀土的陶瓷現(xiàn)在仍僅占一小部分份額，估計(jì)不到10%。 ����

    日本稀土資源十分匱乏，但包括稀土在功能陶瓷及結(jié)構(gòu)陶瓷中的應(yīng)用在內(nèi)的稀土應(yīng)用與開發(fā)，卻首屈一指。由日本的專利可以看出，日本發(fā)明的稀土與陶瓷有關(guān)發(fā)明中，最多的是電子陶瓷，占40％以上。美國和西歐在功能陶瓷研究和開發(fā)的總體水平落后于日本，但在陶瓷傳感器方面的研究具有很高水平，其成果多用于軍事領(lǐng)域。此外，稀土作為結(jié)構(gòu)陶瓷的助燒劑和穩(wěn)定劑也廣泛應(yīng)用。國內(nèi)研究功能陶瓷和結(jié)構(gòu)陶瓷較多的是中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所，此外，清華大學(xué)、山東大學(xué)、中科院沈陽金屬研究所等單位也進(jìn)行了這方面的研究。但總體來說，尚處于跟蹤世界高新技術(shù)陶瓷的發(fā)展，水平落后于日、美。