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严纯华院士:稀土化学学科发展战略

发布时间:2022-09-22 22:49:25 来源:欧宝app地址 作者:欧宝平台下载app

内容简介:  《稀土化学》凝聚了稀土科学和技术领域数十位院士、专家的智慧和心血,历经两年多时间编写完成,是国家自然科学基金委员会与中国科学院联合设立的...

  《稀土化学》凝聚了稀土科学和技术领域数十位院士、专家的智慧和心血,历经两年多时间编写完成,是国家自然科学基金委员会与中国科学院联合设立的学科发展战略系列研究项目的一项重要研究成果。为了更加绿色高效利用中国宝贵的稀土资源,引领和支撑稀土产业的高质量发展,本书系统调研了近年来国内外稀土化学学科的发展状况,通过文献计量学等方法呈现了全球稀土化学发展的全貌,梳理和综述了稀土化学主要领域的研究进展,分析讨论了制约中国稀土产业发展的基础科学问题,提出了中国稀土化学学科未来发展的研究思路、发展方向以及国家政策建议。本书在编写中注重兼顾专业性和普及性,不仅对高等学校、科研院所和高技术企业的科技工作者具有较高的参考价值,同时也为科技管理者和社会公众了解稀土、了解稀土化学领域的发展提供最新的资讯依据。

  真正意义上的稀土化学系统研究始于1947年离子交换技术解决单一稀土分离之后。我国自上世纪60年代起开发了一系列适于国内稀土资源特点的稀土采选冶技术,并逐步推动稀土功能材料成为我国一个重要的战略核心产业。然而,我国的稀土开采、冶炼分离以及稀土材料科技等领域依然面临诸多挑战,有必要对我国稀土化学学科的发展状况进行系统调研,发现制约我国稀土产业发展的基础科学问题,对稀土化学的发展提出前瞻性、科学性的研究思路、发展方向及国家导向政策等方面的建议,以使我国的稀土资源更好地服务于高技术产业的发展。

  为探究稀土化学学科的发展态势,本书首先对2008年至2017年间中国、美国、日本和一些主要欧洲国家稀土相关专利及发表的稀土相关SCI收录论文进行了检索和分析。在这10年间,我国申请公开稀土相关专利数量增幅最大,而各主要西方国家则较为平稳。2008年,我国稀土相关专利申请公开数量仅为日本的一半左右,但2017年已达到第二位日本的8倍多。稀土相关SCI论文方面,我国在这10年间,无论是发文数量还是增长量也都远高于美、日以及西欧发达国家。2017年我国稀土相关SCI论文发文数量已是第2位美国的两倍多,这也从一个侧面体现了我国加强科技投入获得的有效产出。基于该领域的化学计量学分析,结合稀土化学学科自身的特点,本书将从稀土理论和计算化学、我国典型稀土矿物选别、稀土萃取分离,以及磁性材料、光功能材料、催化材料、储氢材料等主要稀土功能材料化学作为重点,分析这些年稀土化学学科的研究进展和发展趋势,以期为当下和未来时期的学科发展提供参考。

  尽管稀土的性质均来自它们特殊的电子结构,但稀土元素的本征性质可能还远未充分开发利用。为了进一步揭示稀土的魅力,更好地利用稀土资源,特别是实现非常规的创新利用,需要加强稀土材料的理论与计算化学研究。第一性原理[图1]、分子动力学模拟和蒙特卡洛法等已被广泛用于预测材料性能,设计新型材料,这些方法的引入也正在促进稀土材料领域由“经验指导实验”的传统模式向“理论预测、实验验证”的方向转变。

  应着力以理论和计算结果为基础,开发用于模拟设计的仿真软件,对用于材料微观结构设计的仿真计算,尽管因涉及多电子与原子核运动,使计算结果还不能尽如人意,但这是稀土科技研究方法的发展趋势。有必要研发可用于稀土化合物精细理论研究的理论方法和计算程序;我国也应重视借鉴国外经验,进行大型、高性能计算设施,包括软件、应用程序和数据管理工具的开发和数据库建设,实施稀土理论和计算化学研究的前瞻布局。

  白云鄂博稀土矿、四川氟碳铈矿和风化壳离子吸附型稀土矿为我国主要的三种开采中的稀土矿藏。目前工业上主要采用弱磁-强磁-浮选组合工艺从白云鄂博矿中生产稀土精矿,四川氟碳铈矿则主要采用磁选-重选-浮选组合工艺选别。为提高这两种矿物稀土选别收率和精矿品位,近年来的研究均重点关注发展新型浮选药剂,揭示浮选过程机理以及对于新型高效组合选矿工艺的探索,工艺矿物学、选矿新工艺与新药剂的研究在促进新型组合选矿工艺的发展。进行两种矿型尾矿中有价矿产资源的综合利用也是当前研究热点。风化壳离子型稀土矿床原地浸矿开采工艺曾被大力推广,但仍存在不容忽视的缺陷。近期对于浸出机理[图2]的系统研究为浸出工艺的优化提供了指导;硫酸铝和硫酸镁等新型浸矿剂的开发也是近年的研究热点;另外,大量研究关注浸出过程的工艺矿物学,以期为解决开采过程的生态保护问题提供理论指导。

  研发低成本、高效新型浮选药剂,提高稀土精矿品位和资源综合回收利用率,研究稀土矿物与其它嵌布矿物的高效解离技术是四川氟碳铈矿和包头白云鄂博稀土矿选别过程中的关键共性问题。对于风化壳离子型稀土矿,当前需重点解决稀土的提取效率和环境保护问题。应着力发展和完善浸矿理论,建立可视化精确探测手段和技术,研究浸取-生态修复一体化技术,从而解决早期遗留矿山土壤修复和植被恢复问题。另外,各类稀土矿山开采的自动化、数字化和智能化水平也亟待提升。

  稀土精矿的分解、溶剂萃取分离以及稀土二次资源回收过程均涉及稀土冶炼分离化学。

  目前工业上应用的包头稀土矿分解工艺大多采用第三代硫酸法,少量采用碱法分解,但两种分解工艺都存在较严重的环境污染及安全问题。最新研究提出了碳酸氢镁水溶液浸矿-皂化萃取分离、高品位混合矿Na2CO3-NaOH焙烧分解、钙化焙烧和浓硫酸低温焙烧等新型工艺。目前四川氟碳铈矿的主流分解工艺氧化焙烧-盐酸浸出法也存在工艺流程长,钍、氟分散在渣和废水中难以回收,富铈产品纯度低等问题,近期的研究多从解决Ce和F的问题入手,如减少Ce(III)的氧化以提高铈的浸出率、钙化转型焙烧固氟以分离稀土与氟等。

  近年稀土萃取分离研究重点主要是开发新型稀土萃取体系及高效清洁分离工艺流程。发展的多组分多出口分馏萃取静态设计和动态仿线]可快速、准确进行稀土萃取分离工艺的优化设计,具有极强的理论研究和实际应用价值。具有显著降耗减排优势的联动萃取分离技术[图4]近年已成为我国稀土分离工业中的基本技术,相应流程设计理论解决了多组分稀土萃取分离理论消耗极限问题,这项成果还促进了非还原法高纯Eu和多种超高纯稀土产品的工业化萃取分离生产,以及包头混合型稀土矿转型-分组一体化、转型-分离一体化流程的开发应用。近年发展的低碳低盐无氨氮分离提纯稀土工艺可大幅降低生产成本。新型萃取剂方面,离子液体尤其是功能性离子液体在稀土萃取分离领域受到越来越多的关注。

  从二次资源中回收和提取稀土是解决未来稀土平衡应用和供应危机的关键环节。从稀土永磁废料中回收稀土是该领域研究的主要方向,目前主要采用焙烧-酸浸-萃取分离工艺回收稀土元素。然而,目前使用的工艺很难满足绿色生产要求,还需开发更为经济、高效、绿色的回收工艺。废旧抛光粉、催化剂和镍金属氢电池等回收稀土也有一定研究价值,但工业经济性尚不明确。废旧荧光粉回收曾具有较高经济价值,但由于LED照明的普及降低了其研究热度。

  我国稀土冶炼分离技术仍需深入开展稀土提取、分离提纯过程基础理论研究,发展稀土资源清洁冶炼工艺技术、离子吸附型稀土矿绿色开采与生态修复一体化技术,以及开发新型萃取剂体系和萃取分离理论及工艺,真正实现我国稀土资源提取工艺的清洁、高效、智能化生产和综合利用。

  目前,发展高性能永磁材料和高丰度稀土永磁材料是稀土永磁领域的主要研究方向。发展高性能永磁材料尚需深入理解矫顽力机制,第一性原理和微磁学模拟[图5]等已在永磁体设计方面起到重要作用。我国在高丰度稀土永磁材料方面的研究在国际上已逐渐成为研究主体,并已初步实现高丰度稀土元素在永磁材料中的产业化替代应用。开展了大量关于La基、Ce基、Y基以及混合稀土基RE-Fe-B甩带或热变形烧结磁体的磁性能和热稳定性研究。晶界扩散技术及其与热压/热变形工艺的结合、微观组织结构的精细调控,以及多相复合等技术等已被应用于制备高矫顽力、高饱和磁化强度稀土永磁体和高丰度稀土永磁体。具有较高居里温度和温度稳定性的钐系永磁材料依然吸引着研究关注。另外,单分子磁体具有理论研究和潜在应用价值,已报道的单核单分子磁体以Dy(Ⅲ)离子为中心的数量居多,而为抑制量子隧穿行为,更多研究涉及具有分子内磁相互作用的多核稀土单分子磁体[图6];具有潜在磁光存储应用的荧光响应型单分子磁体也是该领域的一个研究热点。块材钕铁硼磁体废料的回收利用更适于采用非化学方法再生,但相关研究投入相对薄弱,目前氢化-歧化-脱氢-重组工艺被认为是一种非常有效的生产各向异性NdFeB磁粉的技术手段。

  建议加强烧结钕铁硼的晶界扩散模型研究,实现晶界扩散效果的产业化完全可控技术;加强对钕铁硼永磁领域新工艺研究,探索可能提高磁体矫顽力的晶间相调控手段;继续大力投入Sm系稀土永磁材料研究,开发特殊用途的高工作温度、高矫顽力磁体;通过设计稀土离子的晶体场和磁相互作用来构筑具有高能垒、高阻塞温度和良好化学稳定性的单分子磁体,着力研究它们的磁动力学行为,揭示其中的弛豫机理,为高性能稀土永磁材料设计提供指导。

  近年来,绿色照明显示、稀土光学晶体和先进医疗诊断用稀土荧光材料等方面的新成果、新技术和新应用,为传统稀土光功能材料及其终端产业的更替与升级提供了机遇。

  探索作为第四代照明光源的白光LED所需发光效率高、白光性能优异的发光材料是目前研究热点之一。适合蓝光芯片激发的YAG:Ce3+黄色荧光粉是目前市场应用最广泛的白光LED产品,蓝光芯片结合红色和绿色荧光粉组合是发展的另一个重要方向,而更优方案则为紫光芯片激发红、绿、蓝多色荧光粉,相关研究除单色荧光粉外,多稀土离子掺杂产生级联能量传递的可调色荧光粉倍受关注,并由此发展了更为理想的单相高色度白色LED荧光粉。具有高发光强度的稀土掺杂玻璃也被研究用于白光LED。荧光粉设计策略[图7]研究对调控光谱提出了原则性指导,可用于优化白光LED荧光粉发光性能。另外,近年也有大量研究集中在具有较强光吸收的稀土配合物和配位聚合物用于近紫外激发和电致发光的有机荧光粉上。

  稀土激光晶体和闪烁晶体等光学晶体是稀土发光材料的一个重要分支。近期研究更多关注Er3+和Ho3+离子的2.7~3 μm输出的激光晶体。以La3+、Gd3+和Lu3+离子为基质的稀土闪烁晶体是最近二十年的研究热点,基质体系包括硅酸盐、铝酸盐、钨酸盐、卤化物和氧化物等。以铈掺杂溴化镧为代表的第三代闪烁晶体具有高时间分辨率、高光产额、高能量分辨率,也是当前研究的重点。

  光学成像已成为目前最具开发前景的成像技术,主要研究为开发新型光学成像探针,其中含稀土的发光材料尤其得到关注。近红外稀土长余辉发光材料具有超高信噪比活体成像性能,为长余辉发光材料研究开启了新的应用领域。近红外成像具有强组织穿透能力、高信噪比和高成像分辨率等优势,关键难题是发展具有良好生物兼容性、高亮度和高光学稳定性的近红外吸收剂和发射探针。Ln3+基发光材料借助具有良好光捕获能力的无机基质或有机配体的适宜微环境,敏化稀土离子的近红外发光,从而满足生物成像要求。也有研究通过将具有双光子激发特性的能量捕获单元与能发射近红外荧光的能量受体单元集成到聚合物分子链中,构建同时实现近红外光激发和荧光发射的仿生荧光探针。利用Ln配合物的窄且易于分离的发射带,还可用于一些生物相关物质的分析和活性监测。设计和开发多模式诊疗试剂[图8],协同传统医学中诊断和治疗两个过程,实现治疗过程中“原位”监测,也是当前生物医学、生物无机化学以及配位化学交叉领域中的研究热点。基于荧光材料非接触式测温手段的荧光温度传感技术在生物医学领域也具有广阔的应用前景。

  稀土光功能材料是非常重要的稀土资源高值化应用领域。应加强对蓝光尤其是紫光半导体芯片激发全光谱照明材料,以及基于能量传递获得多种发光颜色及单一白色荧光粉的研究;开发OLED用发光材料及其低成本规模化制备技术。需深入研究稀土晶体生长机制,实现大尺寸、高品质稀土晶体的低成本制备。光学成像研究方面,应继续加强对稀土纳米发光材料的合成机制、发光机理以及体外诊断关键技术的研究,从基质-掺杂选择、核-壳结构设计以及天线响应等方面研究解决Ln3+掺杂的上转换纳米颗粒发光效率偏低的问题;应着力开发基于稀土配合物的生物兼容性多功能诊疗一体化平台;为生物应用和纳米医学领域设计新型纳米温度计也应是未来的一个重点研究方向。

  稀土在热催化和光/电催化方面都起到重要作用,特别是铈基催化剂更为引人注目。在汽车尾气三效催化剂和柴油车尾气净化催化剂方面,迄今的研究大多通过掺杂其它元素和改善催化剂形貌提高稀土催化剂的催化活性和耐用性。柴油车尾气NOx主要依靠催化还原(SCR)催化剂,很多研究者致力于开发新型低温高效、稳定的低成本无钒催化剂,利用稀土元素特有性质改进催化剂的性能为NH3-SCR研究的热点。Ce基氧化物作为助剂添加到NOx储存还原(NSR)催化剂中,可提高催化剂的活性,近年对具有ABO3型钙钛矿结构NSR催化剂消除NOx有了一定的研究成果。另外,CO催化还原NO也是一种很有前途的脱硝方法。稀土催化材料在有机废气治理和水处理方面已显示出很好的应用前景,如挥发性有机物的催化氧化和染料、助剂、化工等高浓度有机废水的催化处理等。具有独特催化性能的稀土化合物及其有机配合物也已广泛用于多种环境友好的有机和高分子化学合成反应中,如C-C和C-N键选择性催化解离和构筑、高分子聚合反应、合成橡胶反应、醇选择性氧化反应等。稀土催化技术在石化工业中占有极其重要的地位;稀土裂化和裂解催化剂得到了成熟应用,近期相关研究报道较少;以稀土为主体的催化剂对甲烷进行催化活化反应活性高、温度低,La、Ce、Sm是研究较多的稀土组分;稀土催化剂在高效、高选择性催化炔基加氢和小分子转化反应等过程也表现出良好的催化性能,吸引了较多研究。

  稀土元素在光/电催化方面的研究报道近年呈增长趋势。稀土元素在光催化分解水产氢领域有较多研究,用于对BiVO4、TiO2、ZnO以及制成固溶体和钙钛矿型过渡金属氮氧化物等催化剂的掺杂改性。稀土元素在有机化合物光降解和光催化还原CO2方面的应用研究也逐渐增多,如Er3+,Ho3+,Nd3+和Tm3+等镧系元素离子可通过Vis到UV或NIR到UV来激活TiO2光催化剂。制备具有上/下转换发光功能的稀土单掺杂或共掺杂TiO2或LiYF4纳米晶可拓宽电极光谱响应范围、提升太阳能电池光电转换效率。稀土掺杂也是锂离子电池改性研究中的一个重要方向。另外,稀土元素合金催化剂或钙钛矿型氧化物催化剂在固体氧化物燃料电池和质子交换膜燃料电池中的研究也受到关注。

  催化剂结构-活性关系是材料合理设计和功能化首当其冲需要面对的问题。理论计算研究在支持和解释实验发现方面扮演了越来越重要的角色,同时对真实反应条件下催化剂表面原子结构实时演变过程的监测对于催化材料性能的控制具有重要意义,各种现代表征方法和技术的应用及其与理论计算的结合,促进了特定结构稀土多相催化剂的合理设计。“单原子催化”不仅金属的利用率高,催化活性高,也是催化机理研究的理想模型,是近几年催化材料研究领域非常热门的课题,当前研究重点在于开发适宜的制备工艺。制备新型多孔稀土催化材料[图9]是未来稀土催化研究的重要方向之一,对于CeO2形状进行纳米尺寸调控也是一种制备得到更高性能催化剂的有效途径。单原子催化剂制备过程面临的一个巨大挑战是高温下特定金属原子在载体上高原子密度且高稳定性的固化,CeO2形状调控或是克服这一挑战的关键[图10]。应发展和利用现代表征技术,结合量化计算,深入研究催化反应条件下催化剂及其活性位结构的动态变化,以探讨催化剂的结构特别是活性位的结构与催化性能的关系。

  氢的高密度储存是一个世界级难题[图11]。目前研究应用的稀土储氢材料主要有LaNi5型和稀土镁基储氢材料。LaNi5需提高储氢性能,对于替代元素功能化机制的深入研究在为材料组分优化提供指导;也有大量研究采用表面处理和表面修饰方法,如表面氟化处理和/或在表面引入铂族元素等。具有较大低温放电和良好安全性是LaNi5型电池较Li离子电池的一个优势,报道的商用LaNi5型电池可在-40℃具有优异的功率输出性能。

  受到材料本身结构的局限,LaNi5型稀土储氢合金最高容量仅为1.4 wt%,因此当前的研究重点已转移到其它具有更高吸氢容量的合金体系,其中的主要方向为储氢容量可达3.7~6.0 wt%的稀土镁储氢合金。RE-Mg储氢合金用于车载储氢材料时还需解决氢解吸温度高和吸放氢速度慢等问题,并进一步提高储氢容量。RE和过渡金属共添加是有效促进Mg基合金储氢性能的方法,尤其是RE与Ni的协同作用使RE-Mg-Ni三元合金展现了优越的综合储氢性能。La-Mg-Ni合金独特的堆垛超结构使其兼具AB5合金快速活化和AB2合金高放电容量的优点。目前,国内外对La-Mg-Ni储氢合金的研究开始由AB3型逐渐转向循环稳定性更佳的A2B7型,研究工作主要集中在成分优化、微观组织及相结构调控、先进制备工艺等方面。多相RE-Mg-Ni合金因有大量可为氢提供扩散通道的相界面而具有优良的储氢性能,且可因多相的协同催化效应促进低温吸放氢动力学,是未来的一个重要发展方向。Mg基合金的制备需研究解决Mg的挥发问题,报道的机械球磨法、熔体旋淬以及对纳米颗粒表面修饰等工艺有利于提升合金储氢性能。另外,发展不含Mg同时具有高储氢容量的储氢合金也具有意义,如Y基合金La1-xCexY2Ni9也具有堆垛超结构,其可逆储氢性能也可通过元素替代调节合金组成得以改善。

  目前,全球稀土系储氢合金仍是稀土消耗的主要应用领域之一,但由于存在与锂离子电池的竞争,相关研究报道近年已呈现下降趋势。金属氢化物储氢高效、安全,但目前为止还没有任何一种储氢合金可满足车用储氢合金指标要求,主要瓶颈是放电容量、循环寿命和动力学性能。相组成对于稀土储氢合金的电化学性能具有重要影响,但如何能够获得目标相组成的合金以及如何设计可达到理想综合电化学性能的合适相组成仍是需要研究的课题。开发具有非CaCu5型晶体结构的新型稀土系储氢合金成为一个重要研究方向。微结构、性能和内在机制的关联仍需继续深入研究,应关注金属氢化物复合物体系的结构、尺寸、形貌的原位观测和性能的相关性。

  稀土元素是冶金工业中重要的添加剂。20世纪90年代,随着细晶、超细晶组织钢研究的迅速发展,稀土元素在钢中变质作用等基础研究重新得到重视。稀土加入钢中调控组织结构、改善性能的机理研究有助于高性能稀土钢的设计,近年研究多关注稀土对于钢中夹杂物的形成和转变机制;稀土热化学处理也用于提高抗腐蚀性研究;理论研究进一步提升了对材料的设计、制备和应用方面的认识,也促进了新型稀土钢的工业生产。目前,还需进一步提升稀土添加技术水平,保证稀土在钢液中充分反应、精确控制稀土回收率;发展高效率、低成本的稀土钢材料设计方法;另外,还需要同时考虑稀土对材料性能、制备与加工工艺、服役寿命等众多环节的协同影响。

  稀土铝合金主要用于建筑铝材和民用铝制品。Al-Mg-RE系合金新材料为铝合金新材料开发的一个热点。稀土铝合金还是代替铜材制造电线电缆的理想材料, Al-RE、Al-Fe体系成为高电导率合金候选。近年稀土铝合金的应用发展速度明显放缓,需进一步深入研究稀土在铸造铝合金中的精炼、细化和变质机制和新工艺;稀土变质技术与传统热处理工艺的结合应是未来的一个重点研究方向。

  近年,稀土镁合金研究较稀土钢和稀土铝合金更为活跃。许多稀土镁合金问世于欧洲,美国在高强耐热稀土镁合金研究与应用方面领先。我国近年高度重视稀土镁合金的研发投入,用于汽车和航空工业的稀土镁合金产业化开发呈现良好发展势头。稀土在镁合金中优异的净化、强化和耐腐蚀性能已不断被认识和掌握,稀土元素Y是在镁合金中强化作用最好,也是研究最深入、应用最广泛的元素之一。添加稀土提升Mg合金力学性能、在镁合金表层扩散稀土制备稀土涂层提高镁合金的表面性能以及优化组分和工艺提升导热系数是目前的主要研究内容。另外,近年针对Mg-RE二元合金的理论计算研究[图12]已取得了较大进展。为不断改进和完善, 开发成本低、性能好的新型稀土镁合金,还应进一步加强基础研究和发展新型制备工艺,促进合金由二元合金系向多元高性能合金系发展,同时不断改善合金微结构,另外,还需开展针对不同应用领域开发特定性能要求稀土镁合金的研究。

  热障涂层(TBC)材料主要针对航空发动机领域应用[图13]。美国在TBC研发和应用方面走在世界前列。国内TBC的研究开始比较晚,与国外先进技术水平相比尚有明显差距。含6~8 wt%氧化钇稳定氧化锆(YSZ)陶瓷材料综合性能优良,是目前主要应用的TBC。然而YSZ工作温度较低,且无法抵御钙镁铝硅酸盐(CMAS)侵蚀。

  目前发现新型TBC材料的研究方案之一是寻找更好的ZrO2稳定剂。烧绿石结构的La2Zr2O7陶瓷材料相比YSZ具有更好的高温相稳定性和较低的热导率,且可以自损方式对涂层起到较好保护作用,是公认的新一代TBC材料候选之一;但其热膨胀性能较差,且导热性能仍有提升空间,对其进行多元稀土氧化物复合掺杂是近年一个重要研究内容。另一方案为发展非Zr基涂层。化学式为Ln2Ce2O7成为继稀土锆酸盐之后一种最具潜力的新型TBC用陶瓷材料;具有不同相结构的稀土硅酸盐具有较低的热导率和较好的抗CMAS腐蚀性;稀土钽酸盐致密块体具有较YSZ和La2Zr2O7陶瓷更低的热导率和基于高温铁弹增韧机制的良好断裂韧性;由稀土和铝元素组成的复合氧化物也因具有与YSZ相当的热导率和热膨胀系数以及显著优异的高温循环稳定性作为新型TBC候选而得到较多研究。

  改善TBC综合性能和可靠性还可通过设计新型TBC结构实现,梯度结构或双陶瓷层结构设计已有大量研究关注,如Ln2Ce2O7/YSZ双陶瓷层结构TBC可明显延长TBC热循环寿命,同时保留稀土锆/铈酸盐类化合物不发生相变、抗烧结、热导率低、抗腐蚀等优点,是未来发展使用温度超过1300℃超高温TBC的重要途径之一。梯度结构可提高涂层与基体的粘结强度和涂层内聚强度,但制备技术复杂。

  为适应航空发动机的发展要求,需开发超高温、高隔热、抗烧结和抗腐蚀性的新型TBC材料与复合结构TBC涂层体系。降低材料的内禀热导率始终是发展先进TBC材料的一个重要课题,还应加强改善TBC抗腐蚀性研究;重视联用不同制备工艺得到性能更加优越的涂层,关注开发纳米结构TBC制备方法。

  稀土还在诸多材料领域作为添加剂发挥着“工业味精”的重要作用。新型稀土功能助剂主要原料多为镧、铈轻稀土,也是缓解稀土不平衡应用的重要发展方向。

  稀土氧化物已被发现是陶瓷烧结过程中一种非常有效的液相材料,可提高烧结性能和材料致密性。有关研究涉及较多的是用于半导体器件基板材料或切削材料的SiC、Si3N4陶瓷等。稀土也可降低碳/氮化硅陶瓷中的氧含量,从而有效提高材料的导热性能。研究也发现,稀土在AlN、ZnO、Mg-Al尖晶石以及莫来石/六方氮化硼复合物和陶瓷增强金属基复合物等材料中作为烧结助剂取得了良好效果。

  高分子材料是现代工业和高新技术的重要基石。近年稀土在改善和提高高分子材料性能方面得到关注。结合稀土与高分子优点合成具有卓越性能的荧光、激光和磁性材料、光学塑料等稀土有机高分子聚合物使得高分子向功能化和微型器件化发展。微纳米稀土化合物改性高分子材料是稀土应用研究的一个重要方面。国产橡胶助剂性能有待提升,制备清洁环保、性能优异、价格便宜的新型橡胶助剂成为研发热点。利用具有促进效果的基团与RE形成配合物作为稀土促进剂可起到加速硫化的功能,稀土元素也可以增强橡胶及其制品抗老化效果。另外,欧盟禁止使用聚氯乙烯铅盐类PVC热稳定剂促进了稀土复合热稳定剂的研究应用。

  (1)重点支持理论计算与仿真在稀土化学各领域中的应用研究。我国稀土化学相关研究论文和专利数量已领先于全球,但在稀土理论化学研究方面,尤其是精细理论研究方面与国际先进水平仍有差距。建议建立稀土资源利用仿真研发实验室,负责研发有关稀土资源利用的各种软件,特别是仿真软件,建立相关数据库;并通过与国家超级计算中心合作提升仿真计算能力。另外,从基金政策上需大力扶持理论研究项目,给予研究人员专心致志完成相关工作的物质基础。同时还应在国家政策层面促进国际合作,创造与国外高水平理论计算研究团队交流学习的机会。

  (2)多领域广泛开展La、Ce、Y等低价格、高丰度稀土功能材料的应用研究,以平衡稀土各元素的开发利用。尤其是在稀土磁性材料、稀土催化材料、稀土储氢材料、稀土合金、稀土助剂,包括近年研究关注较少但已成熟应用的稀土抛光材料等领域加强稀土全方位的推广应用,扩大低价格稀土元素的应用潜力,促进稀土行业健康发展。

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