元素

65 铽 Terfenol-D磁致收缩合金的元素

铽是一种重要的稀土元素。它可以用于制造具有很强磁致收缩效应的Terfenol-D合金,也能加工成荧光粉,用于三色荧光粉照明。除此之外,铽离子还可以用于X射线底片的荧光增感剂。

 

铽的基本物理性质

分类 第ⅢB族▪金属(镧系元素)
原子序号原子量 65(158.9254)
电子配置 4f96s2
密度 8.291g/cm 
熔点 1356°C
沸点 3230°C
形状 银白色金属
丰度 0.0005ppm(太阳)
发现者 Carl Gustaf Mosander
主要的同位素 159Tb
用途例 荧光体、磁致收缩合金
前后的元素 钆-铽-镝

铽的发现

1787年,瑞典矿物学家Karl Arrhenius在斯德哥尔摩附近一个叫Ytterby的小村庄附近的老采石场碰到了一块像沥青一样的黑色矿石,他以村庄的名字将该矿石命名为Yteerby(实际为硅铍钇矿)。他以为自己发现了一种新的钨矿石,然后把样本交到了住在芬兰的Johan Gadolin。在1794年,Gadolin宣布它包含一种新的“钇土”,构成了其重量的38%,即氧化钇(Y2O3),在将其用木炭加热后也没能进一步还原。Anders Gustaf Ekeberg把这一氧化物命名为“Yttria”。Friedrich Wöhler在1828年首次通过氯化钇和钾反应制得并分离出钇的单质。

1843年, Carl Gustaf Mosander对已发现的“钇土”进行了更加彻底的研究,他发现“钇土”其实是混合物,它由三种氧化物组成,其中一种黄色的氧化物就是氧化铽。“钇土”中还包含白色的氧化钇和玫瑰红色的氧化铒。Carl Gustaf Mosander将氧化铽命名为Terbia(铽土),后来人们根据铽土的名称将铽元素命名为Terbium,其元素符号定为Tb。

铽主要和钇以及其他的一些稀土元素共生在一起,如独居石和磷钇矿。通过离子交换法,可以提取纯净的铽。[1]

金属铽含铽的磷钇矿

荧光体

铽的化合物在紫外光的照射下会发出绿色的荧光,这可以用于荧光灯以及彩色电视显现管。绿色的铽荧光粉(明亮的柠檬黄色荧光)与二价铕蓝荧光粉以及三价铕红荧光粉结合,就可以实现三色照明,这是目前铽消耗量最大的领域。提供同样的电量,这种利用三色荧光粉实现的照明方式所产生的白光功率比白炽灯更高。

在医疗领域,在诊断人的骨或肺时,有时为了提高X射线底片的感光度,就需要用到一种受到X射线照射就能发出荧光的增感剂,从而提高底片的感光度,以实现更好的诊疗效果。目前一种常用的增感剂Gd2O2S中就添加了Tb3+[2-3]

硫酸铽,Tb2(SO4)3在紫外线下发出绿色荧光

 

Terfenol-D

Terfenol-D是一种铽合金,在磁场存在的条件下,它会膨胀或者收缩,具有很强的磁致伸缩效应。Terfenol-D的有效成分为Tb1-xDyxFe2(0.68≤x≤0.73),该合金由美国阿姆斯实验室首先研制成功,具有很好的磁致伸缩性能和低的磁晶各向异性。研究人员还发现Terfenol-D单晶或晶粒取向的多晶后在压应力作用下、在低磁场中,其磁致伸缩系数可以大大提高。

Terfenol-D可以用于一些精密器械的运动,它一开始被用于制造声呐,目前已广泛应用于燃料喷射系统、液体阀门控制、微定位到机械致动器、太空望远镜的调节机构和飞机机翼调节器等多个领域。它具有比传统的磁致伸缩材料和压电陶瓷高几十倍的伸缩性能,(Terfenol-D饱和磁致伸缩应变很大,比镍大40~50倍,比PZT压电陶瓷大5~8倍)是一种具有广阔发展前景的稀土功能材料。这种材料的发展使电-机械转换技术获得突破性进展。对尖端技术、军事技术的发展及传统产业的现代化产生了重要作用。[4-7]

Terfenol-DTerfenol-D的晶体结构

 

参考文献

  • [1]Gupta, C. K.; Krishnamurthy, Nagaiyar (2004). Extractive metallurgy of rare earths. CRC Press. p. 5. ISBN 978-0-415-33340-5.
  • [2]Hammond, C. R. (2005). “The Elements”. In Lide, D. R. CRC Handbook of Chemistry and Physics (86th ed.). Boca Raton (FL): CRC Press. ISBN 978-0-8493-0486-6.
  • [3]顾友. 稀土元素铽及其应用[J]. 稀土信息, 2005(9):25-26.
  • [4]Rodriguez, C; Rodriguez, M.; Orue, I.; Vilas, J.; Barandiaran, J.; Gubieda, M.; Leon, L. (2009). “New elastomer–Terfenol-D magnetostrictive composites”. Sensors and Actuators A: Physical. 149 (2): 251. doi:10.1016/j.sna.2008.11.026.
  • [5]Terfenol-D – ETREMA Products, Inc”. TdVib, LLC. Retrieved 2018-12-01.
  • [6]Verhoeven, J. D.; Ostenson, J. E.; Gibson, E. D.; McMasters, O. D. (1989-07-15). “The effect of composition and magnetic heat treatment on the magnetostriction of TbxDy1−xFeytwinned single crystals”. Journal of Applied Physics. 66 (2): 772–779. doi:10.1063/1.343496. ISSN 0021-8979.
  • [7]Issindou, Valentin; Viala, B.; Gimeno, L.; Cugat, O.; Rado, C.; Bouat, S. (2017-08-08). “Fabrication Methods for High-Performance Miniature Disks of Terfenol-D for Energy Harvesting”. Proceedings. 1 (4): 579. doi:10.3390/proceedings1040579. ISSN 2504-3900.

 

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