Rare Earth Information 2021.No.03稀土元素科普系列—— 1879年，法国化学家德·波依斯包德朗（Paul Εmile Lecoq de Boisbaudran）从铌钇矿中提取出了一种元素，为了纪念采出铌钇矿（Samarskite）的俄国采矿官员Vasili Samarsky Bykhovets，这一元素被命名为钐（Samarium）。
钐的元素符号是Sm，原子序数为62，原子量150.36，原子半径（计算值）185pm，电子构型为[Xe]4f6 6S2。作为一个典型的镧系元素，钐主要表现为+3价和+2价，电负性为1.17。钐单质为中等硬度的银白金属，密度为7.54g/cm3，熔点1345K，沸点2064K，蒸气压563Pa（1345K）。在室温下，金属钐为三方晶结构（α-型），具有良好的可塑性，加热至731℃时转变为六方紧密堆积（hcp结构），进一步加热到922℃变为体心立方相（bcc结构），若加热到300℃并压缩至40kbar，则会形成双六方紧密堆积结构（DHCP）。在空气中，金属钐在室温下氧化缓慢，但在150℃下会发生自燃，即使储存于矿物油中，钐也会逐渐氧化在表面形成灰黄粉末状的氢氧化物混合物。 钐虽然归类为稀土元素，但在地壳中的丰度排第40位，平均浓度达到百万分之六，比锡等金属的储量还要丰富，不过在自然界中很难到游离的钐元素。它通常和其他稀土元素共存于矿物中，在包括硅藻土，硅铍钇矿，铌钇矿，独居石和氟碳铈矿等多种矿物中含量较高。这些矿物主要分布在中国、美国、巴西、印度、斯里兰卡和澳大利亚，其中独居石和氟碳铈矿是最常见的钐元素来源，独居石中稀土元素的质量分数能够达到50%以上，而在稀土各元素中钐的占比往往超过2.8%。
我国拥有丰富的稀土资源，氧化钐的储量约为65万吨，居世界首位（林河成，我国氧化钐的生产应用及市场）。同时我国拥有世界领先的钐开采及生产技术，年产氧化钐逾千吨。目前提取稀土钐的方法是处理稀土精矿得到氯化稀土后，再用P-507萃取法分离除去镧铈镨钕和铽镝钬镥等稀土元素后得到钐铕钆的富集物，最后再用P-507提取钐而制得Sm2O3。生产金属钐主要采用金属还原蒸馏法。具体方法是将纯La等还原性金属与Sm2O3混合并在真空感应炉中加热，基于Sm被还原后的蒸气压较高，且其他杂质的蒸气压很低，使Sm还原后蒸发并被收集于冷凝器内，与其他杂质分离而获得纯金属钐。由于钐长期作为铕的副产品产出，所以一直以来价格较低，99.5%的氧化钐市价仅为1.2~1.4万元/
吨。但由于金属钐生产难度大，提炼成本高，
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文|辛 博
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导致其价格远高于氧化钐，达到8.8~9.8万元/吨（纯度99%）。
目前，钐被应用于陶瓷、催化、钢铁、有金属、原子能工业、医疗卫生和许多其他高新技术领域，发挥着举足轻重的作用。
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首先，Sm2Zr2O7被认为是现有YSZ航空发动机新型热障涂层的绝佳替代材料，该类材料的热导率在1.1~1.8W/m·K之间，而且在1500℃下长时间工作仍具有良好的相稳定性能。
其次，氧化钐（Sm2O3）还是一种常用的陶瓷添加剂，将其加入于陶瓷材料中可以显著改善陶瓷的致密性，改变陶瓷显微结构乃至相组成，从而拓展陶瓷的适用范围。在Al2O3、α-Si3N4等结构陶瓷中加入Sm2O3后，在烧结过程中可以抑制陶瓷的晶粒增大，并形成致密均匀的微晶结构，增强材料的机械性能。在BaCo3(>99.9%)、BaTiO3和TiO3中加入Sm2O3，则可获得n-型半导体陶瓷，电阻率仅为103~105Ωcm。该类材料已经实现产业化，被用于制作表面电容器、晶界层陶瓷电容器和敏感元件等。在PbTiO3、PET、PbNb2O6等压电陶瓷中加入Sm2O3，能够明显改善显微组织，同时由于稀土离子RE3+的置换作用，使陶瓷介电常数减小，压电各向异性(kt/kp)增强。因此这类材料添加Sm2O3后特别适用于电子扫描医用超声系统中的换能器，并且因陶瓷介电常数和径向机电耦合系数减小，其高频谐振更加单纯，利于制造高灵敏度、高分辨率的超声换能器。
2.在磁性材料中的应用
钐原子中的轨道矩和自旋矩对磁矩均具有良好的影响，可产生多种多样的磁学性能，是天生的磁性材料。目前已经产业化的有SmCo5，Sm2Co17和Sm2Co17Nx三类重要永磁材料，它们具有高磁能积、温度系数低和使用温度范围宽的优点，温度稳定性和化学稳定性均优于钕铁硼磁铁，Sm2Fe17Nx更在各向异性场、居里温度等多项性能上由于Nd2Fe14B，被认为是永磁材料的未来。
1968年，荷兰的Vege和Buschow等制备出
了磁能积高达18.5MGOe的第一代钐钴永磁材料SmCo5，刷新了当时永磁材料磁能积的记录。1972年最大磁能积达到30MGOe的第二代稀土永磁材料Sm2Co17在日本问世，它不仅具有优异的磁性能、良好的热稳定性和化学稳定性，还具有较好的力学性能，因而迅速得到广泛应用。目前，钐钴永磁体的最高磁能积已达到264 kJ/m3(33 MGOe)，虽然磁性能不及钕铁硼磁体，但基于其独特的优良的磁稳定性、高温磁性能、优异的抗氧化及抗腐蚀性，仍被广泛应用于航空航天、国防军工、高端电机等领域。例如在雷达探测系统中，大功率行波管的电子束功率很大，要求有很高的电子通过率，行波管本身又容易升温，这就要求周期永磁系统在较宽的温度范围内能提供变化很小的轴向磁场强度，即所用永磁材料温度系数必须足够小，因此钐钴磁体就成为了制造行波管的最佳选择。例如航空飞行器的陀螺仪必须能够在高温、高频振动等恶劣环境下服役，钐钴磁体制成的磁力轴承不仅耐候性好，还可显著减小器件尺寸。上世纪计划中使用的导航系统就是因为采用了钐钴永磁体，才使人类登月的梦想得以实现。除了在军事上的应用外，钐钴磁体在工业上能代替铁氧体制造定子磁场的小型和微型马达，具有效率高、马力大、体积小、重量轻的优点，还可用于制造核电站的磁力密封阀门以及通讯和传输电子设备如微波主扬声器等。
钐在磁性材料中的另外一个用途是磁致伸缩材料。SmFe2薄膜的磁致伸缩系数高，磁晶各向异性较小，在低磁场下较易达到饱和，且SmFe2薄膜具有最大的负磁致伸缩性能，因此SmFe2薄膜的研究近
年来也受到了越来越多的关注。磁致伸缩薄膜是制作微机电系统驱动元件的新型功能材料，它具有磁致伸缩效应强、机电藕合系数高、响应速度快、磁滞与涡流损耗低以及非接触式驱动等优点，在智能结构材料方面具有重要的地位和良好的应用前景。
液压一体升降柱 3.在中子屏蔽材料中的应用
金属钐对中子吸收截面大，吸收中子的能力达到5500巴，可用于制造核反应堆的反应性控制棒，
以调节反应堆中大裂变速度，在核反应堆中有非常文化
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实用的价值。氧化钐还用于制作反应堆的屏蔽结构材料，利用其吸收中子能力强的特点，有效防止放
射性物质从反应堆逸出，从而保护核反应堆作业人员的安全。
氧化钐与其他材料还可以制成耐火坩埚的结构材料，可用于熔炼核材料铀的坩埚容器，具有强度高，耐腐蚀性和热稳定性好的特点。此外，用这种坩埚还可以防止裂变物质进入冷却剂内，因而有利于生产作业。
4.在催化和有机合成中的应用
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在许多催化剂中添加钐，能够起到提高催化活性、选择性和热稳定性等作用。如在混合氯化稀土石油裂化催化剂中加入氧化钐后，在炼油过程中可提高精化率，多产汽油15%~20%，提高炼油能力30%以上，还可降低气体产物的生成量。
钐试剂在有机合成中的应用也十分广泛。自从 Kagan将二碘化钐应用于有机合成以来，它就成为了一种常用的醚溶性单电子转移试剂。有机钐试剂具有 Sm-C σ键，其性质与格氏试剂类似，但由于 Sm2+离子半径比 Mg2+大，配位能力高，f 轨道对σ键和π键的成键有一定的贡献，所以有机钐试剂比相应的格氏试剂稳定，不宜生成自身偶联的副产物，而且选择性好。由于二碘化钐对空气极为敏感，故而金属钐作为还原偶联试剂，已在很多的单电子转移反应中成功地替代了极易被氧化而且价格昂贵的二碘化钐。在某些情况下，金属钐还可以用含水溶液、离子液体或DMF等非质子极性溶剂代替醚类溶剂，而更有利于工业化。三价有机钐试剂主要是二碘化钐和卤代物形成的三价钐格氏试剂。由于在
二碘化钐、卤代物和底物三组分的钐Barbier类型反应中，二碘化钐可以引起一些副反应，先形成三价钐格氏试剂，再与底物反应得到比较单一的产物。鉴于钐试剂特有的立体选择性，一些天然产物复杂分子的合成中也会用到钐试剂。
5.在钢铁中的应用
钐在炼钢和炼铁过程中可作为净化剂脱氧除硫，生成Sm2O3和SmS进渣，从而提高钢铁的性能。但由于钐的价格较高因而实际生产中较少用纯钐进行
净化处理。目前多用含钐1.2%的混合稀土金属加入钢液中也能取得较好的净化效果。此外，用稀土精矿REO~30%为原料，以碳或硅铁作为还原剂进行熔炼制成稀土硅铁( RESiFe)合金，将它加入铁中可生产球墨铸铁，从而显著改善铁的性能。
6.在有冶金中的应用
在铸造铝合金中加入0.08-0.2%钐后可降低氧、硫和氢的含量、提高合金的强度，延伸率；另外也可提升热稳定性，耐蚀性，铸造性能以及可塑性，使合金更便于加工和使用。相比其他稀土元素，钐具有特殊的斜方结构，在镁中的固溶度可达5.7wt%，加入镁中可以反应生成具有高熔点的强化相，经时效处理后大量析出，可以起到细晶强化、固溶强化和时效强化作用，有效的强化镁基体，阻碍位错滑
移，从而提高合金的力学性能。在Mg-Al合金中添加钐后，钐可以夺取Mg-Al合金中的部分Al，减少Mg17Al12相，且能与Al形成高熔点化合物。这些高熔点化合物一方面作为异质形核核心，增加形核数量，细化合金晶粒；另一方面可阻止晶界滑移和位错的产生，从而提高镁合金室温和高温力学性能。例如在AZ61合金中添加0.5~2.0%的钐后，合金内形成了弥散分布的高熔点Al2Sm化合物相，Al2Sm 可以作为α-Mg的有效形核核心，合金的铸态和时效态显微组织得到明显细化。在铜中加入钐后同样可起到变质和细化晶粒的作用，提高铜的性能。如在铜中可生成SmCu、SmCu5和SmCu6等金属间化合物，产生微合金化作用，从而改善铜的机械性能和加工性能。
7.在生物医疗中的应用
钐还被用于生物研究和医疗。同位素152Sm 可用做生物研究示踪剂，内照射药物153Sm-EDTMP(153Sm -乙二胺四甲基膦酸)，用于各种骨癌转移具有很好的效果。人们到了征服转移性骨肿瘤的克星，这种153Sm -EDTMP与骨肿瘤病灶具有高度的亲和性，用药后他在骨肿瘤灶中的浓聚量较正常分布高出成百上千倍，发出高能量的射线，能有效地杀伤骨肿瘤细胞，从而起到效果，据国内外报道，约80%用153Sm -EDTMP的病文化
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英姿带稀土高新区
“三链融合”构筑稀土产业新优势
近年来，稀土高新区以促进创新链、产业链、资金链深度融合为抓手，有效配置科技创新资源，不断健全和完善以稀土、铝铜、装备制造为主导的工业体系，奋力在产业链重构中占得先机、赢得主动。
一、围绕创新链布局产业链，破解“产业旱地”难题 依托现有高等院校、院士工作站、企业技术研发中心等科技创新资源，积极向产业领域提供高质量科技供给，引导企业扩大规模、提高集约度、做优产业品质，以新技术、新业态、新模式重塑产业
链条。一是推动稀土产业提质增效，厚植发展新优
人可获得明显的止痛效果，约50%的病人病灶缩小甚或消失。此外，钐化合物还被用于稀土消炎杀菌药物，钛铁钐制成的软膏，对湿疹、过敏性皮炎、牙银炎、鼻炎、静脉炎等均有良好的作用，将其作为漱口剂还具有杀菌、抗炎、除口臭等功效。
8.在其他领域中的应用
在农业中氧化钐可以用作微肥，对农作物使用氧化钐后，可以促进农作物的生长能力，提高农作物的产量，一般可增产约10%，同时将农作物的黄叶率从60%左右下降到10%以内。
在一些玻璃中加入氧化钐后，可制成性能较好的特种玻璃，如已应用于显像管的特种玻璃和其他磁性玻璃等。在制作陶瓷器皿时在釉料中加入氧化钐可以起到遮光剂的作用，使陶釉及珐琅不褪。在显像管阴极中加入氧化钐，可使氧化阴极的激活性能更强，显像效果更好。用钐取代钇钡铜氧中的钇后，所得的超导陶瓷材料临界磁场强度显著提高，磁通钉扎力也大为增强，在电力、储能和运输等方面极具实用价值。
自从被发现以来，钐的应用越来越广泛，不断为我们的生活增光添彩。但是在钐的提取和利用过
程中还存在许多的问题，有待人们去进一步探究。首先，目前生产金属钐采用还原蒸馏法，存在产量小、程序多、设备复杂的问题，生产成本较高。而氟化物高温熔盐电解法存在电解中Sm反复变价的问
题，对电解易造成干扰并增加用电量，难以实现工业化。如果能够在金属钐的制备与提纯方面形成技术突破，大幅度降低钐的生产成本，则其应用领域将得到进一步拓展。
其次，对于钐现在最主要的应用-钐钴永磁体而言，虽然其磁性能良好，但是由于其主要成分是价格昂贵的钴，所以很难实现大规模应用。如果能够破解钐铁氮的热力学稳定性问题和因钐易挥发而导致的合金成分控制问题，进一步提高钐铁氮等新一代低成本永磁体的产品性能，实现对钐钴和钕铁硼磁体的替代，则将引发军事、能源、交通等领域的重大变革，甚至影响人们的生活方式。目前钐还在核能和生物医疗等领域表现出备受关注的应用潜力，相信随着技术的不断进步，随着我们对钐的认识日益加深，其独特性质和作用将得到更充分地发挥，使钐为人类文明的进步提供更加充沛的动力。
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