Magiskt sällsynt jordartsmetall: Ytterbium

Ytterbium: atomnummer 70, atomvikt 173,04, grundämnesnamn härlett från dess upptäcktsplats. Innehållet iytterbiumi jordskorpan är 0,000266 %, huvudsakligen närvarande i fosforit och svarta sällsynta guldfyndigheter, medan halten i monazit är 0,03 %, med 7 naturliga isotoper.

Upptäck historia

Upptäckt av: Marinak

Tid: 1878

Plats: Schweiz 

År 1878 upptäckte de schweiziska kemisterna Jean Charles och G. Marignac ett nytt sällsynt jordartsmetall i "erbium". År 1907 påpekade Ulban och Weils att Marignac separerade en blandning av lutetiumoxid och ytterbiumoxid. Till minne av den lilla byn Yteerby nära Stockholm, där yttriummalm upptäcktes, fick detta nya element namnet Ytterbium med symbolen Yb.

Elektronkonfiguration

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14

Metall

Metalliskt ytterbiumär silvergrått, duktilt och har en mjuk konsistens. Vid rumstemperatur kan ytterbium långsamt oxideras av luft och vatten.

Det finns två kristallstrukturer: α-typen är ett ytcentrerat kubiskt kristallsystem (rumstemperatur -798 ℃); β-typen är ett kroppscentrerat kubiskt gitter (över 798 ℃). Smältpunkt 824 ℃, kokpunkt 1427 ℃, relativ densitet 6,977 (α-typ), 6,54 (β-typ).

Olöslig i kallt vatten, löslig i syror och flytande ammoniak. Den är ganska stabil i luften. I likhet med samarium och europium tillhör ytterbium den sällsynta jordartsmetallen med variabel valens och kan även föreligga i ett positivt tvåvärt tillstånd förutom att vanligtvis vara trevärt.

På grund av denna variabla valenskarakteristik bör framställningen av metalliskt ytterbium inte utföras genom elektrolys, utan genom reduktionsdestillationsmetod för framställning och rening. Vanligtvis,lantanmetallanvänds som reduktionsmedel för reduktionsdestillation, med utnyttjande av skillnaden mellan det höga ångtrycket för ytterbiummetall och det låga ångtrycket för lantanmetall. Alternativt,tulium, ytterbiumochlutetiumKoncentrat kan användas som råmaterial och metalllantan kan användas som reduktionsmedel. Under höga vakuumförhållanden på >1100 ℃ och <0,133 Pa kan metallytterbium extraheras direkt genom reduktionsdestillation. Liksomsamariumocheuropium,Ytterbium kan också separeras och renas genom våtreduktion. Vanligtvis används tulium-, ytterbium- och lutetiumkoncentrat som råmaterial. Efter upplösning reduceras ytterbium till ett tvåvärt tillstånd, vilket orsakar betydande skillnader i egenskaper, och separeras sedan från andra trevärda sällsynta jordartsmetaller. Produktionen av högren ytterbiumoxid utförs vanligtvis genom extraktionskromatografi eller jonbytesmetod.

Ansökan

Används för tillverkning av speciallegeringar.Ytterbiumlegeringarhar använts inom odontologi för metallurgiska och kemiska experiment.

Under senare år har ytterbium framkommit och utvecklats snabbt inom områdena fiberoptisk kommunikation och laserteknik.

Med byggandet och utvecklingen av "informationsmotorvägen" har datornätverk och långdistansöverföringssystem för optiska fibrer allt högre krav på prestandan hos optiska fibermaterial som används i optisk kommunikation. Ytterbiumjoner kan, tack vare sina utmärkta spektrala egenskaper, användas som fiberförstärkningsmaterial för optisk kommunikation, precis somerbiumochtuliumÄven om sällsynta jordartsmetaller som erbium fortfarande är den viktigaste aktören vid tillverkning av fiberförstärkare, har traditionella erbiumdopade kvartsfibrer en liten förstärkningsbandbredd (30 nm), vilket gör det svårt att uppfylla kraven för höghastighets- och högkapacitetsinformationsöverföring. Yb3+-joner har ett mycket större absorptionstvärsnitt än Er3+-joner runt 980 nm. Genom sensibiliseringseffekten av Yb3+ och energiöverföringen av erbium och ytterbium kan ljuset vid 1530 nm förbättras avsevärt, vilket avsevärt förbättrar ljusets förstärkningseffektivitet.

Under senare år har erbiumytterbium-samdopat fosfatglas i allt högre grad blivit populärt bland forskare. Fosfat- och fluorofosfatglas har god kemisk och termisk stabilitet, samt bred infraröd transmittans och stora icke-uniforma breddningsegenskaper, vilket gör dem till idealiska material för bredbands- och högförstärkningsfiberglas med erbiumdopad förstärkning. Yb3+-dopade fiberförstärkare kan uppnå effektförstärkning och liten signalförstärkning, vilket gör dem lämpliga för områden som fiberoptiska sensorer, laserkommunikation i fritt utrymme och ultrakort pulsförstärkning. Kina har för närvarande byggt världens största optiska överföringssystem med en enda kanalkapacitet och snabbaste hastighet, och har världens bredaste informationsväg. Ytterbiumdopade och andra sällsynta jordartsmetaller dopade fiberförstärkare och lasermaterial spelar en avgörande och betydande roll i dem.

Ytterbiums spektrala egenskaper används också som högkvalitativa lasermaterial, både som laserkristaller, laserglas och fiberlasrar. Som ett högeffektslasermaterial har ytterbiumdopade laserkristaller bildat en enorm serie, inklusive ytterbiumdopadeyttriumaluminiumgranat (Yb: YAG), ytterbiumdopadgadoliniumgalliumgranat (Yb: GGG), ytterbiumdopat kalciumfluorofosfat (Yb: FAP), ytterbiumdopat strontiumfluorofosfat (Yb: S-FAP), ytterbiumdopat yttriumvanadat (Yb: YV04), ytterbiumdopat borat och silikat. Halvledarlaser (LD) är en ny typ av pumpkälla för fasta tillståndslasrar. Yb: YAG har många egenskaper som är lämpliga för högeffekts LD-pumpning och har blivit ett lasermaterial för högeffekts LD-pumpning. Yb: S-FAP-kristaller kan i framtiden användas som lasermaterial för laserkärnfusion, vilket har väckt människors uppmärksamhet. I avstämbara laserkristaller finns kromytterbium, holmiumytttrium, aluminiumgalliumgranat (Cr, Yb, Ho: YAGG) med våglängder från 2,84 till 3,05 μ. Steglöst justerbar mellan m. Enligt statistik använder de flesta infraröda stridsspetsar som används i missiler runt om i världen 3–5 μ. Därför kan utvecklingen av Cr-, Yb- och Ho-YSGG-lasrar ge effektiv interferens för motåtgärder mot mellaninfraröda vapen, och har stor militär betydelse. Kina har uppnått en rad innovativa resultat på internationellt avancerad nivå inom området ytterbiumdopade laserkristaller (Yb: YAG, Yb: FAP, Yb: SFAP, etc.), och löst viktiga teknologier som kristalltillväxt och lasersnabb, pulserande, kontinuerlig och justerbar uteffekt. Forskningsresultaten har tillämpats inom nationellt försvar, industri och vetenskaplig teknik, och ytterbiumdopade kristallprodukter har exporterats till flera länder och regioner, såsom USA och Japan.

En annan viktig kategori av ytterbiumlasermaterial är laserglas. Olika laserglas med hög emissionstvärsnitt har utvecklats, inklusive germaniumtellurit, kiselniobat, borat och fosfat. Tack vare den enkla glasformningen kan det tillverkas i stora storlekar och har egenskaper som hög ljusgenomsläpplighet och hög jämnhet, vilket gör det möjligt att producera högeffektslasrar. Det välkända laserglaset av sällsynta jordartsmetaller brukade huvudsakligen användasneodymglas, som har en utvecklingshistoria på över 40 år och mogen produktions- och tillämpningsteknik. Det har alltid varit det föredragna materialet för högeffektslaseranordningar och har använts i experimentella kärnfusionsanordningar och laservapen. De högeffektslaseranordningar som tillverkas i Kina, bestående av laserneodymglas som det huvudsakliga lasermediet har nått världens avancerade nivå. Men laserneodymglas står nu inför en kraftfull utmaning från laserytterbiumglas.

Under senare år har ett stort antal studier visat att många egenskaper hos laserytterbiumglas överträffar de hosneodymglas. På grund av att ytterbiumdopad luminescens endast har två energinivåer är energilagringseffektiviteten hög. Med samma förstärkning har ytterbiumglas en energilagringseffektivitet som är 16 gånger högre än neodymglas och en fluorescenstid som är 3 gånger högre än neodymglas. Det har också fördelar som hög dopningskoncentration, absorptionsbandbredd och kan pumpas direkt av halvledare, vilket gör det mycket lämpligt för högeffektslarar. Den praktiska tillämpningen av ytterbiumlaserglas förlitar sig dock ofta på hjälp av neodym, såsom att använda Nd3+ som sensibiliseringsmedel för att få ytterbiumlaserglas att fungera vid rumstemperatur och μ. Laseremission uppnås vid våglängd m. Så ytterbium och neodym är både konkurrenter och samarbetspartners inom laserglasområdet.

Genom att justera glaskompositionen kan många av ytterbiumlaserglasets luminescerande egenskaper förbättras. Med utvecklingen av högeffektslasrar som huvudinriktning används lasrar gjorda av ytterbiumlaserglas alltmer inom modern industri, jordbruk, medicin, vetenskaplig forskning och militära tillämpningar.

Militär användning: Att använda energin som genereras av kärnfusion som energi har alltid varit ett förväntat mål, och att uppnå kontrollerad kärnfusion kommer att vara ett viktigt sätt för mänskligheten att lösa energiproblem. Ytterbiumdopat laserglas håller på att bli det föredragna materialet för att uppnå uppgraderingar av tröghetsfusion (ICF) under 2000-talet på grund av dess utmärkta laserprestanda.

Laservapen använder den enorma energin från en laserstråle för att träffa och förstöra mål, genererar temperaturer på miljarder grader Celsius och attackerar direkt med ljusets hastighet. De kan kallas Nadana och har stor dödlighet, särskilt lämpliga för moderna luftförsvarssystem i krigföring. Den utmärkta prestandan hos ytterbiumdopat laserglas har gjort det till ett viktigt basmaterial för tillverkning av högpresterande laservapen.

Fiberlaser är en snabbt växande ny teknik och tillhör även området för laserglasapplikationer. Fiberlaser är en laser som använder fiber som lasermedium, vilket är en produkt av kombinationen av fiber- och laserteknik. Det är en ny laserteknik som utvecklats baserat på erbiumdopad fiberförstärkare (EDFA)-teknik. En fiberlaser består av en halvledarlaserdiod som pumpkälla, en fiberoptisk vågledare och ett förstärkningsmedium, och optiska komponenter som gitterfibrer och kopplare. Den kräver ingen mekanisk justering av den optiska vägen, och mekanismen är kompakt och enkel att integrera. Jämfört med traditionella fasta tillståndslasrar och halvledarlasrar har den tekniska och prestandamässiga fördelar som hög strålkvalitet, god stabilitet, stark motståndskraft mot miljöstörningar, ingen justering, inget underhåll och kompakt struktur. På grund av att de dopade jonerna huvudsakligen är Nd+3, Yb+3, Er+3, Tm+3, Ho+3, som alla använder sällsynta jordartsfibrer som förstärkningsmedium, kan den fiberlaser som utvecklats av företaget också kallas en sällsynt jordartsfiberlaser.

Laserapplikation: Högpresterande ytterbiumdopad dubbelklädd fiberlaser har blivit ett hett område inom fasta tillståndslaserteknik internationellt de senaste åren. Den har fördelarna med god strålkvalitet, kompakt struktur och hög omvandlingseffektivitet, och har breda tillämpningsmöjligheter inom industriell bearbetning och andra områden. Dubbelklädd ytterbiumdopade fibrer är lämpliga för halvledarlaserpumpning, med hög kopplingseffektivitet och hög laserutgångseffekt, och är den huvudsakliga utvecklingsriktningen för ytterbiumdopade fibrer. Kinas dubbelklädd ytterbiumdopade fiberteknik är inte längre i nivå med den avancerade nivån i utlandet. Ytterbiumdopad fiber, dubbelklädd ytterbiumdopad fiber och erbiumytterbium-samdopad fiber som utvecklats i Kina har nått den avancerade nivån för liknande utländska produkter vad gäller prestanda och tillförlitlighet, har kostnadsfördelar och har kärnpatenterade tekniker för flera produkter och metoder.

Det världskända tyska IPG-laserföretaget tillkännagav nyligen att deras nyligen lanserade ytterbiumdopade fiberlasersystem har utmärkta strålegenskaper, en pumplivslängd på över 50 000 timmar, en central emissionsvåglängd på 1070 nm–1080 nm och en uteffekt på upp till 20 kW. Det har använts inom finsvetsning, skärning och bergborrning.

Lasermaterial är kärnan och grunden för utvecklingen av laserteknik. Det har alltid funnits ett talesätt inom laserindustrin att "en generation material, en generation apparater". För att utveckla avancerade och praktiska laserapparater är det nödvändigt att först besitta högpresterande lasermaterial och integrera annan relevant teknik. Ytterbiumdopade laserkristaller och laserglas, som den nya kraften inom fasta lasermaterial, främjar den innovativa utvecklingen av fiberoptisk kommunikation och laserteknik, särskilt inom banbrytande lasertekniker som högpresterande kärnfusionslasrar, högenergiska slagplattelasrar och högenergiska vapenlasrar.

Dessutom används ytterbium även som fluorescerande pulveraktivator, radiokeramik, tillsatser för elektroniska datorminneskomponenter (magnetiska bubblor) och optiska glastillsatser. Det bör påpekas att yttrium och yttrium båda är sällsynta jordartsmetaller. Även om det finns betydande skillnader i engelska namn och elementsymboler, har det kinesiska fonetiska alfabetet samma stavelser. I vissa kinesiska översättningar kallas yttrium ibland felaktigt för yttrium. I det här fallet måste vi spåra originaltexten och kombinera elementsymboler för att bekräfta.