稀土元素钕及其应用
钕是当今稀土元素家族中最为显赫的成员。20年前，永磁之王—钕铁硼永磁材料的诞生，使钕一下子身价百倍。氧化钕和金属钕已成为左右稀土市场、刺激稀土产业迅猛发展的强大拉力，至今势头不衰。
钕和镨同时被发现，并经过了两个阶段。先是瑞典化学家莫桑德尔(C.G. Mosander) 于1841年在“镧土”中找到“镨钕”,将其定名为“迪迪姆”（Didymium），希腊语为“双胞胎”的意思。但由于镨钕是性质最为相近、最难分离的一对稀土元素，化学家很难用普通化学方法把他们分开。所以直到40多年后的1885年，才由奥地利人韦尔斯巴赫（C.F.Auer Von Welsbach）完成了第二个过程，成功地将他们做了“分离手术”。所以镨钕也是唯一被同时发现的一对稀土元素。
“钕” （Neodymium）在自然界中存量丰富，其地壳中丰度仅次于铈，居稀土元素中第二位。但由于他难以同镨分离，直到有了离子交换和溶剂萃取提纯技术，才使人们对他的本征性质及用途得以深入研究了解，并实现产业化。在稀土应用领域中他是后起之秀，但却是稀土家族中最多才多艺的一员，对推动稀土产业发展，尤其是促进稀土在高新技术领域中的应用，发挥着极为重要的作用。
在钕铁硼永磁体问世之前，钕的应用远不如铈，主要以混合轻稀土金属的形式用作钢铁和有色金属添加剂、石油炼制和化工催化剂等。但到1983年，由于钕铁硼永磁体的问世，使钕的身价倍增，一跃成为稀土家族中最显赫的成员。钕铁硼的诞生引起国际磁学界的轰动，称这一发现是磁学领域一大突破，被列为当年世界十项重大科技成果之一。由此，永磁材料也成为钕的最大用户。
钕铁硼永磁材料是目前世界上磁性最强的永磁材料，其磁能积比广泛应用的铁氧体高十倍，比第一代、第二代稀土磁体（钐钴永磁）高约一倍，被誉为“永磁之王”。用他代替其他永磁材料，可使器件的体积和重量成倍下降。由于钕资源丰富，与钐钴永磁相比，以铁取代了昂贵的钴，使产品物美价廉，从而获得了极为广泛的应用。目前主要应用领域有：永磁电动机、发电机、核磁共振成像仪、磁选机、音响扬声器、磁力传动、磁力起重、仪器仪表、液体磁化、磁疗设备等等，已成为汽车制造、通用机械、电子信息产业和尖端技术不可缺少的功能材料。20多年来，钕铁硼生产和使用量的年增长率始终保持在两位数。进入本世纪，我国钕铁硼永磁材料产量超过日本，成为世界第一大生产国。2004年我国钕铁硼永磁材料产量从2003年的15000吨猛增到26890吨，同比增长近80%，成为消费增长最快的稀土功能材料。
为适应电子产品轻、薄、短、小的发展要求，烧结钕铁硼和粘结钕铁硼磁体的发展都很快。1987年才开始商品化的各向同性粘结钕铁硼磁体，主要用在HDD（计算机磁盘）、FDD（软驱）、CD-ROM、DVD-ROM及家电中的微型直流主轴电机和步进电机中。对于性能更好、应用潜在市场更大的各向异性钕铁硼粘结磁体，也已开始批量生产。这类磁体将给汽车挡风玻璃雨刮驱动电机、玻璃窗升降电机、观后镜驱动电机、电动门锁和电动调节座椅电机等带来革命性变化。
随着科学技术的发展，钕铁硼永磁材料的性能不断提高，应用领域不断扩大。高磁能积（50兆高奥≈400kJ/m3）、高矫顽力（28EH、32EH）和高使用温度（240C）的烧结钕铁硼已产业化生产。目前正在积极探索的纳米复合双相稀土永磁，其最大磁能积有望达到800kJ/m3（≈100兆高奥），一旦技术成熟实现生产化，必将引发电子信息材料产业的又一场革命。
钕还被广泛用于激光材料，既可用作激光晶体，也可用作大功率激光玻璃。1964年发现的掺钕钇铝石榴石晶体YAG：Nd（Y3Al5O12：Nd3+），已成为目前最常用的固体激光材料，可用于金属材料切割、打孔、焊接和激光手术刀等方面。YAG：Nd激光器是当前技术最成熟、用量最多的激光晶体，其需求约占激光晶体90%的市场。用掺钕硼酸钆铝晶体（NGAB）制造的蓝色激光器属于全固态激光器，可产生440nm蓝色激，具有结构简单、体积小、牢固耐用、价格适宜等特点，在高密度数据存储、彩色印刷、水底通讯等诸多方面有广泛的应用前景。由于大尺寸掺钕硅酸盐激光玻璃，能实现大功率脉冲激光输出，一直被用于激光核聚变研究，国际上仅美、法、日等少数国家具备这种技术和装置。我国科学家研制的高功率钕玻璃激光实验装置“神光1号”、“神光2号”已达国际先进水平，被成功用于激光核聚变等实验。
钕还是玻璃和陶瓷材料的优良着色剂。用其着色的工艺美术玻璃和陶瓷，可呈淡粉、玫瑰红、淡紫和蓝紫等多种色调，色彩晶莹亮丽，名贵高雅。尤其是具有神奇的双色效应，在不同光源的光照下，会呈现出从玫瑰紫红到淡蓝紫色的不同变化。世界各地著名的工艺美术玻璃和艺术陶瓷制品，如意大利威尼斯工艺玻璃和我国景德镇的艺术陶瓷制品上，都能看到钕的色彩。由于氧化钕能用于陶瓷色釉和釉下彩着色，许多建筑和日用陶瓷，也经常闪动着钕的独特身影。钕还能用于功能陶瓷，如锶铋钕钛氧化物可用作微波陶瓷。
钕对许多有色金属材料有良好的净化、变质和合金化作。在镁或铝合金中添加1.5～2.5%钕，可提高合金的高温性能、气密性和耐腐蚀性，广泛用作航空航天材料。把钕铝合金（钕含量5~-10％）用于液晶显示屏，可使成象平面不发黄。含有0.9％原子或更多Nd的Al-Nd(铝-钕)合金，具有优良的抗腐蚀特性，用于制造反射型液晶显示器，能够减少反射型液晶显示器中所使用的薄膜晶体管的制造工序。在CRT彩电荧光屏玻璃中加入氧化钕，可以增强对黄色光的吸收，从而提高彩电的清晰度。钕化合物还被用于光纤材料，如掺辛酸钕的聚合物光纤，可克服掺稀土聚合物光纤中稀土离子相容性差的问题，光学性能稳定，光通讯窗口在650nm，在全光通信、医学、传感器和光谱学领域将有十分重要的应用。
随着科学技术的发展，钕的应用将不断拓展和延伸。如钕化合物已用作合成顺丁橡胶催化剂。镨钕锶锰氧钙钛矿材料具有巨磁熵变效应，有望成为优良的磁制冷工质材料。钕作为稀土家族的佼佼者，必将以其优异的特性，为稀土的高科技应用不断注入了新的活力。
附录：稀土元素家族系列档案——钕
钕 |
元素符号Nd |
英文名称 Neodymium |
原子序数60 |
相对原子质量(12C = 12.0000) 144.24 |
发现年代 |
1885年 |
发现人 |
Baron Auer von Welsbach （奥地利，维也纳） |
原
子
结
构 |
原子半径(埃): 2.64 |
离子半径(埃): 0.995 |
共价半径(埃): 1.64 |
氧化态: 3 |
原子体积cm3/mol: 20.6 |
电子构型: 1s2 2s22p6 3s23p63d10 4s24p64d104f3 5s25p6 6s2 |
物理性质 |
状态：银灰色金属 |
熔点(℃)： 1016 |
沸 点(℃): 3068 |
比 热（J/gK）：0.19 |
密度 (g/cc，300K)：7.01 |
熔化热（KJ/mol）：7.14 |
蒸发热 （KJ/mol）：273 |
导电率（106/cm Ω）: 0.0157 |
导热系数 （W/cm K ）： 0.165 |
地质
数据 |
丰度 |
海水中（ppm）.： |
地壳 （ppm.）：38 |
大西洋表面：1.8 × 10-6 |
大西洋深处：3.2 × 10-6 |
大气（p.p.m.）/体积： |
太平洋表面：1.8 × 10-6 |
太平洋深处：4.8 × 10-6 |
生
物
数
据 |
人体中含量（ppm）： |
器官中：非常低 |
人(70Kg)均体内总量（mg）：非常低。 |
日摄入量/mg: 未知 |
矿
产
资
源 |
工业矿物： |
主要产地 |
混合性（氟碳铈＋独居石） |
中国内蒙古自治区包头白云鄂博矿山 |
氟碳铈矿（Bastnaesite）
CeLaFCO3（轻稀土） |
美国芒廷帕斯矿山（加利福尼亚） |
中国四川冕宁、山东微山 |
中钇富铕离子型矿 |
中国江西寻乌、信丰和广东平远独居石（Monazite ）（CeLaTh）PO4（轻稀土）澳大利亚韦尔德山、东西海岸海滨沙矿印度西南海滨沙、中国广东和台湾海滨沙稀土 |
| 独居石（Monazite ）（CeLaTh）PO4（轻稀土） |
澳大利亚韦尔德山、东西海岸海滨沙矿 |
稀土磷灰石 |
俄罗斯科拉半岛 |
铈铌钙钛矿 |
俄罗斯托姆托尔碳酸岩风化壳稀土矿床 |
配分
Pr % |
包头混合型矿 |
四川氟碳铈矿 |
中钇富铕离子型矿 |
澳大利亚独居石 |
16—18 |
12—14 |
16—30 |
15—18 |
应用领域 |
金属、合金 |
钢铁与有色金属改性剂、永磁材料 |
混合氯化物 |
石油裂化催化剂、农用稀土、助染助鞣 |
单一氧化物 |
激光晶体与激光玻璃、陶瓷和玻璃着色剂、功能陶瓷 |
有机化合物 |
合成橡胶催化剂、聚合物光纤添加剂 |
