傅凱 李星國(guó)

稀土金屬因其特異的光、電、磁和催化性能，已在能源、信息、環(huán)保、農(nóng)業(yè)、國(guó)防等多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。新型功能材料對(duì)稀土金屬的高純化需求日趨提高。然而，氧元素與稀土金屬的結(jié)合力極強(qiáng)，難以利用傳統(tǒng)的熔煉技術(shù)去除，嚴(yán)重制約了稀土功能材料的發(fā)展。對(duì)此，研究人員別出心裁地求助于稀土除氧的“狠角色”，引入外部驅(qū)動(dòng)因素，終于將氧雜質(zhì)“逼”出來(lái)，實(shí)現(xiàn)了超低氧含量稀土金屬的制備。

“犧牲自我”的活性除氣劑

第一個(gè)“狠角色”當(dāng)屬活性除氣劑。既然氧元素與稀土金屬的結(jié)合力強(qiáng)，那在稀土金屬周圍包覆一層吸氧能力更強(qiáng)的活性除氣劑，不就可以把氧雜質(zhì)吸引過(guò)來(lái)了嗎？活潑金屬鈣當(dāng)仁不讓地承擔(dān)起這一角色。利用18O2示蹤同位素標(biāo)記技術(shù)進(jìn)行機(jī)理探究，可以發(fā)現(xiàn)稀土中的氧雜質(zhì)會(huì)在熱處理過(guò)程中自動(dòng)擴(kuò)散到外部，與鈣金屬結(jié)合。活性金屬除氣劑無(wú)畏地犧牲了自己，將氧雜質(zhì)牢牢鎖在自己體內(nèi)，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)高純稀土金屬的保護(hù)。

“威逼利誘”的氫等離子體

等離子體是不同于固體、液體和氣體的物質(zhì)第四態(tài)。當(dāng)氣體狀態(tài)接受足夠的能量即可變?yōu)榈入x子體態(tài)。若在接近于大氣壓的情況下進(jìn)行放電，那么動(dòng)能會(huì)通過(guò)電子、離子以及中性粒子的激烈碰撞而充分交換，這樣就使等離子體達(dá)到熱平衡狀態(tài)，稱為熱等離子體。也正由于等離子體的激烈產(chǎn)生方式，使其具有特殊的能量，成為稀土除氧技術(shù)中的“狠角色”。利用陰陽(yáng)極放電擊穿氬氣和氫氣的混合氣體，就可以產(chǎn)生高溫高動(dòng)能的氫等離子體電弧。利用電弧對(duì)稀土金屬進(jìn)行熔煉，可以得到超低氧含量的稀土金屬。其機(jī)理是這樣，等離子體首先利用超高溫將稀土金屬熔化，“威逼”氧雜質(zhì)到金屬表面。而沖擊熔體的氫等離子體具有很高的還原活性，“利誘”遷移到表面的氧雜質(zhì)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)稀土金屬的提純。

“來(lái)去無(wú)蹤”的固溶氫原子

以上兩種提純技術(shù)，都是將氧雜質(zhì)引出來(lái)，因此需要活性極高的除氣劑或等離子體。然而固溶氫原子深諳“不入虎穴焉得虎子”的道理，像“潛伏者”一樣深入稀土金屬內(nèi)部去清除氧雜質(zhì)。由于稀土金屬與氧的結(jié)合力太強(qiáng)，常用的還原劑氫氣不足以實(shí)現(xiàn)對(duì)氧雜質(zhì)的還原。然而，稀土金屬可以催化氫氣在金屬表面裂解為氫原子，并均勻向內(nèi)部擴(kuò)散，固溶在晶格間隙中。利用這一性質(zhì)，氫原子可以在溫和條件下固溶到稀土金屬內(nèi)部，包圍氧雜質(zhì)，并且由于外層電子的變化獲得更強(qiáng)的還原能力。在隨后的真空加熱過(guò)程中，固溶氫原子可以結(jié)合氧雜質(zhì)一起脫離稀土金屬，實(shí)現(xiàn)高純化。固溶氫原子在整個(gè)過(guò)程不產(chǎn)生二次污染，是一種來(lái)去無(wú)蹤的除氧“狠角色”。

研究人員利用這三種除氧“狠角色”實(shí)現(xiàn)了超高純稀土金屬的制備，為我國(guó)的高純稀土產(chǎn)業(yè)提供了創(chuàng)新思路，也為提純機(jī)理的計(jì)算模擬研究帶來(lái)了不可小覷的信息庫(kù)，更為將來(lái)的技術(shù)問(wèn)題解決做好了理論儲(chǔ)備。