稀土元素科普系列铽

● 张文灿 郭咏梅 杨丽/文

1843 年，瑞典科学家莫桑德尔（C.G.Mosander）在对钇土的研究中发现了铽元素（Terbium），于1905 年由乌贝因（G.Urbain）第一次提纯制出。

铽（Tb）原子序数65，相对原子质量159，电负性1.2，在元素周期表中属于镧系元素，具有一定的毒性。铽属于重稀土，单质为柔软且有延展性的银白色金属，密度8.27g/cm3，熔点1356℃，沸点3230℃，与其他稀土金属一样，化学性质活泼，能与许多金属元素形成合金或金属间化合物。化学反应中可呈正三价和正四价，其氧化物分子式为Tb4O7，相当于两个TbO2和一个Tb2O3。

铽在地壳中的丰度很低，为1.1ppm，在稀土元素丰度中位列第14 位，仅仅高于铥、镥和钷，常常以化合物的形式存在于磷钇矿和黑稀金矿内，少量存在于磷铈钍砂和硅铍钇矿中，通常与其他稀土元素共存。在我国白云鄂博稀土矿中，氧化铽在总稀土中占有量不足0.01%，即便是在江西赣州龙南地区含铽最高的高钇离子型重稀土矿中，铽的含量也仅占总稀土的1.1%～1.2%左右，可见，它属于稀土元素中的“贵族”，由于铽的稀缺和贵重，使它在过去很长一段时间未获得实际应用。但随着全球制造业的迅猛发展，铽元素的优异性能得以体现，应用范围不断拓展，在三基色荧光粉、稀土永磁材料、磁致伸缩材料、磁光存储材料等尖端技术领域中得到广泛应用。

1.铽在三基色荧光粉中的应用

稀土元素拥有特殊的4f 电子轨道（14 个），在外界能量的激发下会产生丰富的电子跃迁，并将吸收的能量以光的形式放出，从而产生特殊的荧光。现代光电子材料都要用红、绿、蓝三种基本颜色的荧光粉，即为三基色荧光粉，铽可用作三基色荧光粉中绿粉的激活剂，是许多优质绿色荧光粉不可缺少的组分。彩色电视红色荧光粉的诞生刺激了对钇和铕的需求，而灯用稀土三基色绿色荧光粉则推动了铽的应用发展。

20 世纪80 年代初，菲利普发明了世界上第一支紧凑型节能荧光灯，并很快在全球推广，Tb3+离子可以发出波长为545nm 的绿光，几乎所有的稀土绿色荧光粉都用铽做激活剂，如用铽激活的磷酸盐基质、硅酸盐基质、铈镁铝酸盐基质在激发状态下均发出绿色光。铽还被用作医用X 射线增强屏的荧光粉激活剂，与传统的钨酸钙荧光粉相比，稀土荧光粉可大大提高X 射线转化成光学图像的灵敏度，提高X 射线的清晰度，并能减少X 射线对人体的辐照剂量。

用铽制造电致发光材料时，硫化锌绿色荧光粉要以铽为激发剂，在紫外线照射下，铽有机配合物发射出强烈的绿色荧光，可制作成薄膜电致发光材料。稀土有机配合物电致发光材料薄膜研究虽然已经取得重大进展，但距离实用化还有一段差距，稀土有机配合物致电发光材料和器件的研究还需深化。

铽的荧光特性还被用作荧光探针，如氧氟沙星-铽荧光探针，利用荧光光谱、吸收光谱研究氧氟沙星-铽络合物与脱氧核糖核酸（DNA）的相互作用，氧氟沙星-铽探针与DNA 分子之间可形成沟槽式结合，而脱氧核糖核酸能显著增强氧氟沙星-铽体系的荧光，因此可以测定脱氧核糖核酸，利用此法测定人血清中的DNA 回收率获得了令人满意的效果。

2.铽在稀土永磁材料中的应用

近年来，随着5G/6G 信息通讯、新能源汽车、高档数控机床及轨道交通装备等产业的快速发展，钕铁硼材料需求持续增加。作为高性能钕铁硼材料重要的组成元素，在钕铁硼永磁材料中加入少量铽和镝，即可提高钕铁硼永磁材料的矫顽力和温度性能。钕铁硼永磁材料是目前稀土用量最大的稀土功能材料，也是铽的主要消费领域之一。

在稀土永磁材料生产过程中，为了提高烧结钕铁硼的矫顽力，通常通过合金化法直接向磁体中添加重稀土元素。然而，随着重稀土量的增加，磁体磁能积和剩磁呈逐渐下降的趋势，也使磁体生产成本大大增加。近年来，晶界扩散技术可以通过消耗很少量的重稀土就能显著的提高矫顽力，并且不会使剩磁产生明显的下降。钕铁硼晶界扩散技术有三种主流的制备工艺：蒸镀扩散、磁控溅射和表面涂覆。被行业广泛采用的是直流磁控溅射方法，该方法是将烧结钕铁硼作为基体，铽或镝金属（纯度＞99.9%）作为靶材，在磁控溅射设备内注入氩气之后，电子与氩原子发生碰撞，产生氩离子和新的电子，氩离子在电场作用下加速轰击靶材，靶材表面的镝或铽原子脱离原晶格而逸出，转移并沉积在钕铁硼表面，靶材形成镀膜后，放置到真空烧结炉中进行扩散回火处理，磁体表面的Tb、Dy 随着高温扩渗，经液相富Nd 相进入磁体内部。磁控溅射渗镝渗铽技术有许多优点，首先Tb、Dy 的加入可以改善钕铁硼相之间的相互浸润性，优化富Nd 相的显微组织和成分分布，使其变得连续、平直；其次，Tb、Dy 具有较大的磁晶各向异性场，可有效抑制主相间的磁耦合，进入磁体内部后可以显著提升磁体的矫顽力。

3.铽在磁致伸缩材料中的应用

材料在磁场作用下发生长度或体积变化的现象被称为磁致伸缩。20 世纪末，美国衣阿华州立大学、美国能源部和美国海军水面武器研究中心合作研制出了铽镝铁磁致伸缩材料，开辟了铽的新用途。铽镝铁磁致伸缩材料的磁致伸缩系数比一般磁致伸缩材料高约100-1000 倍，因此被称为超磁致伸缩材料，能实现磁电能与机械能的高效转换，具有转换效率高、驱动电压低，体积小、承受高压强等特点，通过与计算机自动控制技术的结合，派生出了一系列新技术、新工艺和新设备。

稀土磁致伸缩材料作为一种重要的智能材料，是提高一个国家尖端技术竞争力的重要材料，被看作21 世纪重要的战略性功能材料，西方发达国家对其尤为重视，美国政府把它列为对我国控制出口的先进材料。铽镝铁超磁致伸缩材料的应用范围很广，除可用于机械、电子、汽车等行业外，还可用于水利工程、地球物理探测和油田采油装置上。未来，铽镝铁磁致伸缩材料将更广泛的应用于精密机械传感器、卫星定位系统、微型助听器、精密机床、阻尼减震等领域。

我国的机床制造水平远远落后于工业发达国家，精密机床、数控机床仅占国内机床在用总量的1.7%，造成这种局面的重要原因就是精密机床上配置的精密快速进给系统与国外差距较大。而采用铽镝铁超磁致伸缩材料制成的精密制动器能够实现这方面的突破，目前，我国已能批量生产并开发出一些机床行业实用器件。

4.铽在磁光储存材料中的应用

作为计算机的存储元件，添加铽的磁光储存材料的存储能力可提高10～15 倍，具有容量大及存取速度快等优点，当用于高存储密度光盘时，可实现反复擦涂数万次，具有较高的记录速度和读数敏感度，是电子信息存储技术的重要材料。目前，铽系磁光储存材料已被大规模制成磁光光盘。

在可见光及红外波段目前最常用的磁光材料是铽镓石榴石单晶，是用于制作法拉第旋光器与隔离器的最佳磁光材料，还有掺铽的磁光玻璃都具有优异的磁光旋转特性及良好的机械、物理和光学性能，是制造体积小、能产生高性能可见光的近红外法拉第光旋转器、隔离器和环形器的关键材料，广泛应用于激光技术。

5.铽的生物学效应

由于稀土易形成配合物的特性，对稀土元素的生物学效应起到了决定性作用。铽能以混合稀土的形式被农牧业利用，比如用作农用稀土复合肥、饲料添加剂等。添加稀土元素铽在一定浓度范围内能改善农作物的品质，提高光合作用的速率，铽的三元配合物对金黄色葡萄球菌、枯草芽孢菌和大肠杆菌均有良好的抑菌杀菌效果，具有抑菌广谱性，该类配合物的研究也为现代杀菌药物提供了一种新的研究方向。但是由于稀土元素铽具备独特的生物学和毒理学效应，其一旦进入生态环境，会不可避免地间接或直接进入人体，稀土元素铽在粮食、蔬菜和人体中是否会积累，对长期食用稀土多元复合肥种出的粮食的人会产生什么影响等问题均未有定论。相信随着研究的逐步深入，含铽稀土物质的使用和扩散一定会得以科学有效的驾驭，从而确保环境与人类健康的安全性，因此在大力开发和利用铽的同时，其可能产生的生态环境问题及对人体健康的影响应该引起我们足够的关注与重视。

总之，铽的许多优异特性使其成为众多功能材料重要组分，在一些领域甚至处于举足轻重的位置。但由于铽的价格昂贵，科研人员致力于研究铽的减量化技术，以求在保持性能的前提下降低生产成本。例如，为提高钕铁硼永磁材料的矫顽力，尽量采用价格相对便宜的金属镝；稀土磁光材料也尽可能采用低成本的镝铁钴或钆铽钴；在不得不用的绿色荧光粉中也尽量减少铽的使用量。可见，价格已成为限制铽应用范围的主要因素。

近年来，随着国家一系列管控政策的实施，我国稀土行业曾经一度混乱无序的状态得到扭转，行业秩序得以持续改善，以铽为代表的重稀土资源需求强劲。2020年全年氧化铽国内需求大幅增加，供应严重不足，导致铽价格持续上涨，截至2021 年2 月份，氧化铽（纯度99.99%）均价达到891.12 万元/吨，较去年同期上涨141.28%，金属铽均价为1127.77 万元/吨，较去年同期上涨143.95%，预计铽的价格将继续维持高位。未来，丰度较低的铽镝等稀土元素在稀土全产业链中将主要定位于高附加值的高科技产品，相关国家管控政策不仅要保证货源供应的稳定性，更重要的是掌控战略性稀土元素的价格话语权，同时稀土行业更要合理保护、开发这类宝贵的矿产资源，并大力发展铽的循环经济，不断开拓铽、镝等重稀土元素自主知识产权及核心技术，促进稀土行业的可持续健康发展。