元素周期表中有一组神奇的元素，在很多领域都发挥着举足轻重的作用，被称为＂工业界的维生素＂，这组元素就是稀土元素。
特别是电力时代中稀土的作用更是前所未有的突出，为什么这么说？人的力量和耐力都是有限的，在工业革命之前牲口是大规模生产的主要动力担当。工业时代机器代人极大地提高了生产效率，如先是蒸汽机，内燃机作为动力输出装置，所带来的生产力爆发相信不用过多介绍，到了电力时代这种动力输出装置换为电动机，相比于内燃机更方便更快捷不但在工业界，更是走进千家万户。电机里主要元件是线圈和永磁体，永磁材料的性能非常重要，而正是稀土极大地提升了永磁材料的性能，同时也提升了电机的性能，直到今天稀土永磁电机仍是高端电机的代表，如电动汽车，节能电机，工业机器人等。
但稀土的作用不仅仅如此，稀土广泛应用于新能源、新材料、航天航空和国防等领域，已被美国、欧盟和日本等列为战略性矿产资源。在新一轮的技术变革和产业升级中，稀土的战略性价值受到全球的共同关注。下面就和大家详细聊一下稀土的前世今生。
稀土元素（Rare Earth Elements, REEs）是一组具有类似化学性质的17种金属元素，包括镧系元素（镧到镥）以及钪（Sc）和钇（Y）。虽然名字中有“稀”字，但这些元素在地壳中的总储量并不罕见，只是分布分散，开采和提纯成本较高，因此被称为“稀土”。
一、 稀土的应用领域
稀土被誉为“工业维生素”，被应用于各行各业，因其在高科技、新能源、军事等领域的关键作用成为现代技术发展的基础。
图 1 稀土应用及比例
1. 永磁材料
在19世纪20年代，世界上第一台电机是由永磁体产生励磁磁场的，当时所用的永磁材料是天然磁铁矿石（Fe3O4），磁能密度很低，制成的电机体积庞大，很快被电励磁电机所取代。20世纪30年代，铝镍钴永磁和50年代的铁氧体永磁相继问世，虽然提高了磁性能，但矫顽力和剩磁密度仍有限，未能完全满足高功率和小型化的需求。直到20世纪60年代和80年代，稀土钴永磁和钕铁硼永磁（统称稀土永磁）的出现，才真正推动了永磁电机的发展。稀土永磁具有高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线性退磁曲线的优异磁性能，特别适合制造永磁电机。 相信70后的玩具之一就是几块磁铁，有多种玩法，但那时一般都是黑色如石头般的磁铁，应该就是铁氧体，磁力远不如现在的钕铁硼磁铁。
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钕铁硼（NdFeB）磁体是最重要的稀土应用，广泛用于风力发电、混合动力汽车、电机、扬声器等。
稀土催化剂在石油化工中用于裂化过程，提高燃油产量。
在汽车尾气处理装置中，氧化铈等稀土材料用于降低污染。
3. 光学与激光技术
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掺铒光纤放大器是光通讯领域上的一次革命，因为光信号传输过程会有损耗，在掺铒光纤放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA）问世以前，为了克服光传输中的损耗，每传输一段距离都要进行“复位”，即把传输后的弱光信号转换成电信号，经过放大、整形、定时后再去转换成一定强度的光信号。随着传输数据量的提高，“复位”的难度也随之提高，成了信号传输容量扩大的“瓶颈”。EDFA的问世及实用化，实现了直接光放大，节省了大量的中间光-电-光的复位中继器，使得传输中的光纤损耗不再成为主要问题，同时使传输链路“透明化”，简化了系统，成倍地扩大了传输容量，促进了真正意义上的密集波分复用（DWDM）技术的飞速发展，是光通讯领域上的一次革命。
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掺钕钇铝石榴石（Nd
）是一种常用的掺稀土激光晶体。Nd 晶体通过泵浦源激发后，能够在谐振腔内产生共振，从而增强激光的功率和亮度，满足高能激光武器的需求。 -
铒的另一个应用热点是激光，尤其是用作医用激光材料。铒激光是一种固体脉冲激光，波长为2940nm，能被人体组织中的水分子强烈吸收，从而可以非常精确地切割、磨削和切除软组织。
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铒YAG激光还被用做白内障摘除。因为白内障晶体的主要成分是水，铒激光能量低，易被水吸收，将是一种很有发展前景的摘除白内障的手术方法。铒激光治疗仪正为激光外科开辟出越来越广阔的应用领域。
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镧和铈用于制造高折射率玻璃和相机镜头。
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稀土在风力发电机中的应用主要体现在永磁材料的制造上，这些材料是现代高效风力发电机的核心部件。永磁体主要由稀土元素钕（Nd）、铁（Fe）、硼（B）制成，即钕铁硼永磁体。此外，镝（Dy）和铽（Tb）也常被添加以增强磁体的耐高温性能和稳定性。
风力发电机中使用的稀土永磁体具有高磁能积和优异的磁性能，使发电机能够在更小体积、更轻质量的情况下提供更高的效率。这不仅减少了发电机的维护成本，还提高了风力发电系统的整体可靠性和经济性。
特别是在直驱式风力发电机中，稀土永磁体可以省去传统发电机中的齿轮箱，使结构更简洁、能量损失更小，因此更适用于大型或海上风力发电场。稀土的加入显著提升了风力发电设备的技术水平，为绿色能源发展提供了重要支持。
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电动汽车普遍采用高效的永磁同步电机（PMSM），其核心组件是由稀土元素钕（Nd）、铁（Fe）、硼（B）组成的钕铁硼永磁体。
图 3 永磁同步电机，Permanent magnets 为永磁体
图片来源https://avvale.co.uk/
高效率：稀土永磁体具有高磁能积和优异的磁性能，能提高电机效率，减少能量损耗。
小型化和轻量化：稀土永磁体使电机体积更小、重量更轻，有助于降低整车重量、增加续航里程。
耐高温性能：镝（Dy）和铽（Tb）常被添加，以增强磁体在高温工作环境下的性能稳定性。
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值得一提的是，我国拥有丰富的稀土资源，并在产业控制方面具备强大实力。我们的稀土永磁材料和稀土永磁电机的科研水平已达到国际领先地位，这为永磁同步电机的广泛应用提供了坚实的支撑。
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储氢材料
稀土金属（如镧、钇等）与其他金属形成的稀土合金是性能优异的储氢材料，能够以较高密度储存氢气。
燃料电池催化剂
稀土氧化物（如铈氧化物，CeO₂）被广泛用于燃料电池的催化剂支持材料：
- 提升催化剂稳定性
：铈氧化物具有优异的氧储存和释放能力，能够稳定铂等贵金属催化剂，提高催化效率。 - 降低贵金属用量
：通过优化催化剂的活性表面，稀土材料减少了贵金属的使用量，从而降低燃料电池的生产成本。
- 金属氢化物储氢器
：利用稀土金属氢化物的可逆吸放氢特性，帮助燃料电池系统更安全、高效地储存和释放氢气。 - 性能优势
：稀土储氢材料具有高吸氢容量、良好的热稳定性和长循环寿命，是先进储氢技术的重要方向。
- 提升催化剂稳定性
5. 军事应用
稀土在雷达中的应用主要集中于其磁性材料和微波元件，这些材料对提高雷达系统的性能至关重要。磁性材料前面介绍过，此处不再赘述。 -
稀土材料（如钇铁石榴石，YIG）用于雷达中的微波器件：
- 微波隔离器与环行器
：稀土材料的特殊磁性使其成为微波信号传输的关键元件，确保信号稳定传输，减少干扰和能量损耗。 - 微波滤波器
：钇铁石榴石的高磁光特性使其能够精确调节信号频率，提升雷达信号的灵敏度与准确性。
- 微波隔离器与环行器
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稀土在红外线探测器中的应用主要体现在提升探测性能和灵敏度，广泛用于军事、航天、医疗和环境监测等领域。以下是主要应用领域：
（1） 稀土掺杂材料
稀土元素（如铒 Er、镱 Yb、钬 Ho）被广泛用于红外探测器材料中，利用其特殊的光学特性：
（2） 红外增益介质
稀土元素如镧（La）和铈（Ce）被用于制造光纤激光器或放大器，作为增益介质：
（3） 稀土基传感器
稀土氧化物（如铒氧化物 Er₂O₃）被用于制备高性能红外探测传感器：
- 高分辨率
：稀土材料在探测器中能够提供更高的分辨率和动态范围，适用于精准红外成像。 - 宽光谱响应
：稀土掺杂器件能够覆盖更宽的红外波段，从近红外到远红外，适应不同的应用场景。
- 信号放大
：在长波红外探测中，稀土材料能够增强微弱信号的强度，提升探测精度。 - 耐高温和抗辐射性
：稀土材料在极端环境中仍能保持稳定的性能，适用于高温或辐射环境的探测需求。
- 提高红外吸收能力
：稀土掺杂的半导体材料可以增强对特定波段红外光的吸收，提高探测器的灵敏度。 - 能量转换效率
：稀土离子的发光和能量转换特性能够优化红外信号的响应速度和质量。
- 高分辨率
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稀土增强的红外探测器广泛用于红外制导、目标识别和卫星监测中，因其高精度和高灵敏度性能受到重视。
6. 冶金行业
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冶金行业中稀土应用相对上面来说有些普通，但也想和大家介绍一下，本人在学习阶段没少接触使用稀土，甚至于整个实验室的师兄弟们都托稀土的福才能顺利毕业。材料中只加百分之零点几就会优化材料的性能，起到改变杂质形态，细化晶粒等作用。如含钪的铝合金，包钢的稀土高强钢等。
稀土被誉为“工业维生素”，是现代工业和高新技术发展的关键资源。稀土元素具有独特的物理化学性质，广泛应用于航空航天、新能源、电子信息、医疗设备等领域。在永磁材料、催化剂、荧光体等高科技产品中，稀土不可或缺。例如，稀土永磁材料显著提升了电动汽车、电机和风力发电机的效率。此外，稀土在国防领域也具有重要战略意义，用于制造导弹、雷达和激光武器。然而，由于稀土资源分布不均、开采成本高及环境影响大，其供应稳定性备受关注。合理开发和高效利用稀土，对推动技术创新和保障国家经济安全具有重要作用。
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