【戰(zhàn)略金屬知識】稀有金屬銦鍺鎵鉍硒碲運用領(lǐng)域
銦,是一種金屬元素,元素符號為In,原子序數(shù)為49,位于元素周期表第五周期IIIA族。其單質(zhì)是一種銀白色并略帶淡藍(lán)色的金屬, 質(zhì)地非常軟,能用指甲刻痕??伤苄詮?qiáng),有延展性,可壓成片。金屬銦主要用于制造低熔合金、軸承合金、半導(dǎo)體、電光源等的原料。
銦產(chǎn)品應(yīng)用簡介
銦的某些化合物,如氧化物、硫化物和磷酸鹽,多用于制造黃色和橙黃色玻璃,以及特種光學(xué)玻璃。含有鉍或鎘的銦硼酸鹽玻璃,能夠吸收中等強(qiáng)度的X光,還可以吸收比熱中子能量更高的中子。
銦的鹵化物,其中如碘化銦,常用作金屬鹵化物燈中的添加劑,旨在增強(qiáng)照明的輸出功率和改善光譜的質(zhì)量。
銦錠:梯形,表面光潔,呈白色具有金屬光澤,主要供制造多種合金、特殊焊、涂層、電子及生產(chǎn)高純銦等部門使用。
三氧化二銦:淡黃色,用于熒光屏,玻璃,陶瓷,化學(xué)試劑等。
氫氧化銦:用于電池,玻璃,陶瓷化學(xué)試劑等。
高純?nèi)谆煟?/strong>白色結(jié)晶性晶體,主要用作GAEHI 工藝外延生長含銦化合物,半導(dǎo)體光電功能材料的原料。
高純氯化銦:無色或白色粉末,主要用于制熒光粉、Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體、低壓納燈、錳干電池?zé)o汞負(fù)極、( 鋅)防腐添加劑、ITO透明電池等。
銦是鍺晶體管中的摻雜元素,在PNP鍺晶體管生產(chǎn)中使用銦的數(shù)量最大。
每年銦在新用途方面的用量還以10%-20%的速度增加。
因為其較軟的性質(zhì)在某些需填充金屬的行業(yè)上也用于壓縫。如:較高溫度下的真空縫隙填充材料。
銦稱得上“合金的維生素”,銦合金可用作釬焊料,銦是無鉛焊料新的重要添加元素,世界無鉛焊料的發(fā)展趨勢有利于銦釬焊料的應(yīng)用。利用銦合金熔點低的特點還可制成特殊合金,用于消防系統(tǒng)的斷路保護(hù)裝置及自動控制系統(tǒng)的熱控裝置;添加少量銦制造的軸承合金是一般軸承合金使用壽命的4-5倍;銦合金還可用于牙科醫(yī)療、鋼鐵和有色金屬的防腐裝飾件、塑料金屬化等方面。
由于銦具有較強(qiáng)的抗腐蝕性及對光的反射能力,可制成軍艦或客輪上的反射鏡。銦對中子輻射敏感,可用作原子能工業(yè)的監(jiān)控劑量材料,目前用在原子能工業(yè)的銦,大約與電子工業(yè)上的用量相近。
銦可在蓄電池中作添加劑,在無汞堿性電池中作為緩蝕劑,可使電池成為綠色環(huán)保產(chǎn)品。銦在防止霧化層方面的用量不斷增加,銦涂層最初是在汽車制造業(yè)中采用,有可能普及到工業(yè)及高檔民用建筑業(yè)中去。日本索尼公司發(fā)明了以銦代替鈧的新陰極,這樣每根電子槍的成本就降到了摻鈧電子槍的十分之一左右。因此,在電視機(jī)大功率輸出、長壽命方面,銦的應(yīng)用發(fā)展前景引人注目。
在光電子領(lǐng)域,銦及其化合物半導(dǎo)體具有廣泛的用途。在銦基III-V族化合物半導(dǎo)體如銻化銦(InSb)、磷化銦(InP)、砷化銦(InAs)等中,研究和應(yīng)用最早的是銻化銦(InSb),而最受重視并具有潛在應(yīng)用前景的是磷化銦(InP),它在微波通訊向毫米波通訊方面,作為光纖通訊的激光光源和異質(zhì)結(jié)太陽能電池材料方面,都有突破性進(jìn)展,展現(xiàn)了銦應(yīng)用的可喜前景。銻化銦和砷化銦在紅外探測和光磁器件方面也有重要用途。在太陽能電池中,含銦化合物薄膜材料正異軍突起,以其高轉(zhuǎn)換率、低成本、便于攜帶等優(yōu)勢受到矚目。銅銦硒(CIS)等I-II-VI三元化合物薄膜半導(dǎo)體材料,由于有價格低廉、性能良好和工藝簡單的優(yōu)點,將成為今后大力發(fā)展太陽電池工業(yè)的一個重要方向,促使銦在該領(lǐng)域的應(yīng)用不斷增大。以信息技術(shù)為中心的新產(chǎn)業(yè)已經(jīng)興起,銦錫氧化物(ITO)是各類平板顯示器不可缺少的關(guān)鍵材料,目前全世界的銦有75%左右消耗在這方面,未來仍然大有作為。不僅如此,隨著銦的提取、加工技術(shù)不斷進(jìn)步,生產(chǎn)成本的降低,銦的應(yīng)用還在繼續(xù)拓展。
鍺的應(yīng)用領(lǐng)域
高純度的鍺是半導(dǎo)體材料。從高純度的氧化鍺還原,再經(jīng)熔煉可提取而得。摻有微量特定雜質(zhì)的鍺單晶,可用于制各種晶體管、整流器及其他器件。鍺的化合物用于制造熒光板及各種高折光率的玻璃。
鍺單晶可作晶體管,是第一代晶體管材料。鍺材用于輻射探測器及熱電材料。高純鍺單晶具有高的折射系數(shù),對紅外線透明,不透過可見光和紫外線,可作專透紅外光的鍺窗、棱鏡或透鏡。鍺和鈮的化合物是超導(dǎo)材料。二氧化鍺是聚合反應(yīng)的催化劑,含二氧化鍺的玻璃有較高的折射率和色散性能,可作廣角照相機(jī)和顯微鏡鏡頭,三氯化鍺還是新型光纖材料添加劑。
鎵的應(yīng)用領(lǐng)域
一、電子工業(yè):制作半導(dǎo)體材料砷化鎵、磷化鎵、磷砷化鎵、磷化鋁鎵、砷鋁化鎵等,用于發(fā)光二級管、電視和電腦的顯示器件。用砷化鎵單晶制作的二級管能發(fā)出強(qiáng)烈的紅光,用磷化鎵單晶制作的二級管能發(fā)出綠光并能顯示多種光彩。釩鎵化合物鎵化釩為超導(dǎo)材料,其臨界溫度為13.30K。砷化鎵正在被大量用于手機(jī)核心電路、計算機(jī)芯片、光電傳輸?shù)确矫?。其產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,投資前景亮麗。
二、低熔點合金:鎵與不同的元素組合,可得到不同的低熔點合金材料,各種低熔點合金多用于自動化、電子工業(yè)及信號系統(tǒng)、過真空的密封(“液封”),涂潤金屬改善性能和自動防火裝置等方面。
三、冷焊劑:鎵可用作金屬與陶瓷間的冷焊劑,適于對溫度導(dǎo)熱等敏感的薄壁合金。使用時,只需將液態(tài)鎵與焊接材料的金屬粉末混合,然后將它涂在金屬與陶瓷欲焊接處,凝固后即焊接成功。
四、催化劑:鎵的鹵化物有較高的活性,可用于聚合和脫水等工藝中。如在生產(chǎn)乙基苯、丙基苯和酮用氯化鎵作催化劑時,其催化反應(yīng)速度和持續(xù)反應(yīng)的能力,均比氯化鋁好。氧化鎵是乙醇或丁烯脫氫合成雙氧水的催化劑。高溫下氧化鎵是一氧化氮離解的催化劑等。
五、醫(yī)學(xué):鎵的合金可用作牙科醫(yī)療器件和醫(yī)用材料,Ga72使用于診斷,鎵黃對蛋白質(zhì)起凝集作用可用于治療骨癌。
六、高溫溫度計:鎵的沸點很高為2430℃,熔點很低為29.78℃。這一性質(zhì)決定了用鎵來測定29.78℃~2430℃的溫度最為合適,把鎵充入耐高溫的石英細(xì)管中制成高溫溫度計,可廣泛用于工業(yè)領(lǐng)域。
七、氮化鎵:利用氮化鎵寬禁帶半導(dǎo)體耐高溫的特性,研制出的可以在300~600K范圍工作的器件,可用于航空、航天、石油化工、地質(zhì)勘探等部門。氮化鎵基材料內(nèi)外量子效率高,具備高發(fā)光率、高熱導(dǎo)率、抗輻射、耐酸堿、高強(qiáng)度和高硬度等特性,可制成高效藍(lán)、綠、紫、白色發(fā)光二級管,以氮化鎵為第三代的半導(dǎo)體材料是目前世界上最先進(jìn)的半導(dǎo)體材料,是新興半導(dǎo)體光電產(chǎn)業(yè)的核心材料和基礎(chǔ)器件。
八、砷化鎵太陽能電池:砷化鎵太陽能電池最高轉(zhuǎn)換率達(dá)18%,其電池小組合經(jīng)SJ-4衛(wèi)星搭載試驗考核,證明電池性能穩(wěn)定,組合工藝可行。
硒的應(yīng)用領(lǐng)域
一、玻璃工業(yè):硒既可用于玻璃去色,也可用于制造有色玻璃。
二、化學(xué)制品:在有機(jī)化合物的氧化、氫化、鹵化等過程中,硒與硒化合物可作為催化劑或氧化劑使用在橡膠工業(yè),硒作為硫化劑可提高橡膠的強(qiáng)度與彈性硒酸及硒酸鹽具有殺菌與抑菌功效。
三、顏料:從黃色到深褐色的幾乎所有顏料都可通過硫代硒化錫與硫的調(diào)和來實現(xiàn),這類顏料的特點是抗熱、抗化學(xué)反應(yīng)能力強(qiáng),常用在400℃~500℃條件下工作的塑料上色。鋅、鉻和硒基顏料還用于重大工程的金屬防護(hù)。
四、復(fù)印設(shè)備:各種硒基材料仍然廣泛應(yīng)用于許多復(fù)印設(shè)備,但一些有機(jī)光結(jié)構(gòu)儀器開始越來越多的開始替代使用硒基材料的復(fù)印設(shè)備。
五、太陽電池(CIGS)、電子儀器與光電儀器:光電儀器(涉及紅外線到紫外線光譜的激光器、光二極管、光接收器等)廣泛采用含硒半導(dǎo)體部件A2B6和A4B6等。目前由聚酞胺基Cu(InGa)Se2化合物制造的太陽能電池深受市場歡迎,其效率達(dá)到10%~19%。
六、冶金:鐵基或銅基合金中添加少量硒(≤1%)能提高合金的強(qiáng)度和可塑性。微量硒加入鉛中用于制造電池格柵。鎂錳合金中加人0.3%~0.5%硒可提高抗蝕性。
七、化工:這方面主要用途是電解錳的催化劑。電解錳生產(chǎn)是硒在中國的最大應(yīng)用領(lǐng)域,錳電解過程中向電解槽內(nèi)添加SeO2可以提高電流效率。
八、醫(yī)學(xué):硒是人與動物體內(nèi)必需的微量元素現(xiàn)已證實,生活在土壤與水含硒低地區(qū)的居民易患心血管疾病,癌癥發(fā)病率高。硒化合物如亞硒酸鈉和硒酸鈉同樣具有預(yù)防與治療疾病的效用,也可添加到動物飼料中。在東歐、美國、中國等國家通過了鼓勵牧場使用硒劑添加物草案。全球每年添加到食品、獸用制品、無機(jī)肥料中的硒占硒產(chǎn)量的5%以上。
鉍的應(yīng)用領(lǐng)域
鉍作為可安全使用的“綠色金屬”,除用于醫(yī)藥行業(yè)外,也廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、超導(dǎo)體、阻燃劑、顏料、化妝品、化學(xué)試劑、電子陶瓷等領(lǐng)域,大有取代鉛、銻、鎘汞等有毒元素的趨勢。鉍的主要用途是以金屬形態(tài)用于配制易熔合金,以化合物形態(tài)用于醫(yī)藥。前者熔點范圍為47-262℃,最常用的是鉍同鉛、錫、銻、銦等金屬組成的二元、三元、四元、五元合金。改變這些金屬在合金中所占的百分比,就可獲得一系列不同熔點和不同物理性質(zhì)的合金,這些合金用于消防裝置,做自動噴水器的熱敏元件,鍋爐和壓縮空氣缸的安全塞,焊料等。
鉍合金具有在冷凝時不收縮的特性,用于鑄造印刷鉛字和高精度的鑄型。鉍及其合金常作為鑄鐵、鋼和鋁合金的添加劑,以改善合金的切削性能。含銻11%的鉍合金用于制造紅外線檢測計。鉍錫和鉍鎘合金用于制造硒整流器的輔助電極。利用鉍在磁場作用下電阻率急劇減小的特性制作磁力測定儀。鉍錳合金可用作永磁材料。鉍的熱中子吸收截面很小并且熔點低、沸點高,可用作核反應(yīng)堆的傳熱介質(zhì)。碲化鉍廣泛用于制造溫差元件用于太陽能電池,鉍銀銫合金可用于制造光電放大器,硫化銀鉍用于制造半導(dǎo)體儀器,鉍鎘溫差元件用于報警裝置。 碲的應(yīng)用領(lǐng)域:
碲的用途主要有以下方面
1)在冶金工業(yè)中,加入少量碲,可以改善低碳鋼、不銹鋼和銅的切削加工性能(見易切削鋼)。
2)在白口鑄鐵中,碲用作碳化物穩(wěn)定劑,使表面堅固耐磨。
3)在鉛中添加碲,可提高材料的抗蝕性能,用作海底電纜的護(hù)套;也能增加鉛的硬度,用來制作電池極板和印刷鉛字。
4)碲可用作石油裂解催化劑的添加劑以及制取乙二醇的催化劑。
5)氧化碲用作玻璃的著色劑。
6)高純碲可作溫差電材料的合金組分。
7)碲化鉍為良好的制冷材料。
8)碲和若干碲化物是半導(dǎo)體材料。
9)超純碲單晶是新型的紅外材料。
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