Element magic de pământ rar: Yterbiu

YterbiuNumăr atomic 70, greutate atomică 173,04, nume element derivat din locația sa de descoperire. Conținutul deyterbiuîn scoarță este de 0,000266%, prezent în principal în zăcăminte de fosforit și aur negru rar, în timp ce conținutul în monazit este de 0,03%, cu 7 izotopi naturali.

Descoperind Istoria

Descoperit de: Marinak

Timp: 1878

Locație: Elveția 

În 1878, chimiștii elvețieni Jean Charles și G. Marignac au descoperit un nou element de pământ rar în „erbiu”. În 1907, Ulban și Weils au subliniat că Marignac a separat un amestec de oxid de lutețiu și oxid de yterbiu. În memoria micului sat numit Yteerby de lângă Stockholm, unde a fost descoperit minereul de ytriu, acest nou element a fost numit Yterbiu cu simbolul Yb.

Configurația electronică

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

Metal

Yterbiu metaliceste gri argintiu, ductil și are o textură moale. La temperatura camerei, yterbiul poate fi oxidat lent de aer și apă.

Există două structuri cristaline: tipul α este un sistem cristalin cubic cu fețe centrate (temperatura camerei -798 ℃); tipul β este o rețea cubică cu corp centrat (peste 798 ℃). Punct de topire 824 ℃, punct de fierbere 1427 ℃, densitate relativă 6,977 (tip α), 6,54 (tip β).

Insolubil în apă rece, solubil în acizi și amoniac lichid. Este destul de stabil în aer. Similar samariului și europiului, yterbiul aparține pământurilor rare cu valență variabilă și, pe lângă faptul că este de obicei trivalent, poate fi și într-o stare divalentă pozitivă.

Datorită acestei caracteristici de valență variabilă, prepararea yterbiului metalic nu ar trebui efectuată prin electroliză, ci prin metoda distilării reductive pentru preparare și purificare. De obicei,lantan metaliceste utilizat ca agent reducător pentru distilarea reductivă, utilizând diferența dintre presiunea ridicată de vapori a yterbiului metalic și presiunea scăzută de vapori a lantanului metalic. Alternativ,tuliu, yterbiușilutețiuConcentratele pot fi utilizate ca materii prime, iar lantanul metalic poate fi utilizat ca agent reducător. În condiții de vid la temperatură înaltă >1100 ℃ și <0,133 Pa, yterbiul metalic poate fi extras direct prin distilare reductivă. La fel casamariuşieuropiu,Yterbiul poate fi, de asemenea, separat și purificat prin reducere umedă. De obicei, ca materii prime se utilizează concentrate de tuliu, yterbiu și lutețiu. După dizolvare, yterbiul este redus la o stare divalentă, provocând diferențe semnificative în proprietăți, și apoi separat de alte pământuri rare trivalente. Producerea oxidului de yterbiu de înaltă puritate se realizează de obicei prin cromatografie de extracție sau prin metoda schimbului ionic.

Aplicație

Folosit pentru fabricarea aliajelor speciale.Aliaje de yterbiuau fost aplicate în medicina dentară pentru experimente metalurgice și chimice.

În ultimii ani, yterbiul a apărut și s-a dezvoltat rapid în domeniile comunicațiilor prin fibră optică și tehnologiei laser.

Odată cu construirea și dezvoltarea „autostrăzii informaționale”, rețelele de calculatoare și sistemele de transmisie prin fibră optică pe distanțe lungi au cerințe din ce în ce mai ridicate privind performanța materialelor din fibră optică utilizate în comunicațiile optice. Ionii de yterbiu, datorită proprietăților lor spectrale excelente, pot fi utilizați ca materiale de amplificare a fibrei pentru comunicațiile optice, la fel ca...erbiuşituliuDeși erbiul, un element de pământuri rare, este încă principalul element în prepararea amplificatoarelor cu fibră optică, fibrele tradiționale de cuarț dopate cu erbiu au o lățime de bandă mică (30 nm), ceea ce face dificilă îndeplinirea cerințelor de transmitere a informațiilor de mare viteză și capacitate. Ionii Yb3+ au o secțiune transversală de absorbție mult mai mare decât ionii Er3+, în jurul valorii de 980 nm. Prin efectul de sensibilizare al Yb3+ și transferul de energie al erbiului și yterbiului, lumina de 1530 nm poate fi mult îmbunătățită, îmbunătățind astfel considerabil eficiența de amplificare a luminii.

În ultimii ani, sticla fosfat co-dopată cu erbiu-yterbiu a fost din ce în ce mai apreciată de cercetători. Sticlele fosfat și fluorofosfat au o bună stabilitate chimică și termică, precum și o transmitanță largă în infraroșu și caracteristici mari de lărgire neuniformă, ceea ce le face materiale ideale pentru fibra de sticlă dopată cu erbiu în bandă largă și cu câștig ridicat. Amplificatoarele cu fibră dopată cu Yb3+ pot realiza amplificarea puterii și amplificarea semnalului mic, ceea ce le face potrivite pentru domenii precum senzorii cu fibră optică, comunicațiile laser în spațiu liber și amplificarea impulsurilor ultrascurte. China a construit în prezent cel mai mare sistem de transmisie optică cu o singură capacitate și cea mai rapidă viteză din lume și are cea mai largă autostradă informațională din lume. Amplificatoarele cu fibră dopate cu yterbiu și alte pământuri rare și materialele laser joacă un rol crucial și semnificativ în acestea.

Caracteristicile spectrale ale yterbiului sunt utilizate și ca materiale laser de înaltă calitate, atât ca cristale laser, sticlă laser, cât și lasere cu fibră. Ca material laser de mare putere, cristalele laser dopate cu yterbiu au format o serie imensă, inclusiv cristale dopate cu yterbiu.ytriu aluminiugranat (Yb: YAG), dopat cu yterbiugadoliniugranat de galiu (Yb: GGG), fluorofosfat de calciu dopat cu yterbiu (Yb: FAP), fluorofosfat de stronțiu dopat cu yterbiu (Yb: S-FAP), vanadat de ytriu dopat cu yterbiu (Yb: YV04), borat dopat cu yterbiu și silicat. Laserul semiconductor (LD) este un nou tip de sursă de pompare pentru laserele în stare solidă. Yb: YAG are multe caracteristici potrivite pentru pomparea LD de mare putere și a devenit un material laser pentru pomparea LD de mare putere. Cristalul Yb: S-FAP ar putea fi utilizat ca material laser pentru fuziunea nucleară cu laser în viitor, ceea ce a atras atenția oamenilor. În cristalele laser reglabile, există granat de crom, yterbiu, holmiu, ytriu, aluminiu, galiu (Cr, Yb, Ho: YAGG) cu lungimi de undă cuprinse între 2,84 și 3,05 μ. Reglabil continuu între m. Conform statisticilor, majoritatea focoaselor în infraroșu utilizate în rachete din întreaga lume utilizează 3-5 μ. Prin urmare, dezvoltarea laserelor Cr, Yb, Ho: YSGG poate oferi o interferență eficientă pentru contramăsurile armelor ghidate în infraroșu mediu și are o importanță militară importantă. China a obținut o serie de rezultate inovatoare la nivel internațional avansat în domeniul cristalelor laser dopate cu yterbiu (Yb: YAG, Yb: FAP, Yb: SFAP etc.), rezolvând tehnologii cheie precum creșterea cristalelor și puterea laser rapidă, pulsată, continuă și reglabilă. Rezultatele cercetării au fost aplicate în apărarea națională, industrie și inginerie științifică, iar produsele din cristale dopate cu yterbiu au fost exportate în mai multe țări și regiuni, precum Statele Unite și Japonia.

O altă categorie majoră de materiale laser cu yterbiu este sticla laser. Au fost dezvoltate diverse sticle laser cu secțiune transversală de emisie ridicată, inclusiv telurit de germaniu, niobat de siliciu, borat și fosfat. Datorită ușurinței de turnare a sticlei, aceasta poate fi fabricată în dimensiuni mari și are caracteristici precum transmitanță ridicată a luminii și uniformitate ridicată, ceea ce face posibilă producerea de lasere de mare putere. Sticla laser familiară din pământuri rare era folosită în principal...neodimsticlă, care are un istoric de dezvoltare de peste 40 de ani și o tehnologie de producție și aplicare matură. A fost întotdeauna materialul preferat pentru dispozitivele laser de mare putere și a fost utilizată în dispozitivele experimentale de fuziune nucleară și armele laser. Dispozitivele laser de mare putere construite în China, constând din laserneodimSticla, ca principal mediu laser, a atins nivelul avansat din lume. Însă sticla laser cu neodim se confruntă acum cu o provocare puternică din partea sticlei laser cu yterbiu.

În ultimii ani, un număr mare de studii au arătat că multe proprietăți ale sticlei laser cu yterbiu le depășesc pe cele aleneodimsticlă. Datorită faptului că luminescența dopată cu yterbiu are doar două niveluri de energie, eficiența de stocare a energiei este ridicată. La același câștig, sticla de yterbiu are o eficiență de stocare a energiei de 16 ori mai mare decât sticla de neodim și o durată de viață a fluorescenței de 3 ori mai mare decât sticla de neodim. De asemenea, are avantaje precum concentrație mare de dopare, lățime de bandă de absorbție și poate fi pompată direct de semiconductori, ceea ce o face foarte potrivită pentru lasere de mare putere. Cu toate acestea, aplicarea practică a sticlei laser cu yterbiu se bazează adesea pe asistența neodimului, cum ar fi utilizarea Nd3+ ca sensibilizator pentru a face sticla laser cu yterbiu să funcționeze la temperatura camerei, iar emisia laser μ este realizată la lungimea de undă m. Așadar, yterbiul și neodimul sunt atât concurenți, cât și parteneri de colaborare în domeniul sticlei laser.

Prin ajustarea compoziției sticlei, multe proprietăți luminescente ale sticlei laser cu yterbiu pot fi îmbunătățite. Odată cu dezvoltarea laserelor de mare putere ca direcție principală, laserele fabricate din sticlă laser cu yterbiu sunt din ce în ce mai utilizate în industria modernă, agricultură, medicină, cercetare științifică și aplicații militare.

Utilizare militară: Utilizarea energiei generate de fuziunea nucleară ca energie a fost întotdeauna un obiectiv așteptat, iar realizarea fuziunii nucleare controlate va fi un mijloc important pentru omenire de a rezolva problemele energetice. Sticla laser dopată cu yterbiu devine materialul preferat pentru realizarea modernizărilor fuziunii prin confinare inerțială (ICF) în secolul XXI, datorită performanței sale laser excelente.

Armele laser utilizează energia enormă a unui fascicul laser pentru a lovi și distruge ținte, generând temperaturi de miliarde de grade Celsius și atacând direct la viteza luminii. Acestea pot fi denumite Nadana și au o letalitate ridicată, fiind potrivite în special pentru sistemele moderne de arme de apărare aeriană în război. Performanța excelentă a sticlei laser dopate cu yterbiu a transformat-o într-un material de bază important pentru fabricarea armelor laser de mare putere și performanță.

Laserul cu fibră este o tehnologie nouă în rapidă dezvoltare și aparține, de asemenea, domeniului aplicațiilor laser cu sticlă. Laserul cu fibră este un laser care utilizează fibra ca mediu laser, fiind un produs al combinării tehnologiei fibrei și laserului. Este o nouă tehnologie laser dezvoltată pe baza tehnologiei amplificatorului cu fibră dopată cu erbiu (EDFA). Un laser cu fibră este compus dintr-o diodă laser semiconductoare ca sursă de pompare, un ghid de undă cu fibră optică și un mediu de câștig, precum și componente optice precum fibre de rețea și cuploare. Nu necesită reglarea mecanică a căii optice, iar mecanismul este compact și ușor de integrat. Comparativ cu laserele tradiționale în stare solidă și laserele semiconductoare, are avantaje tehnologice și de performanță, cum ar fi calitatea ridicată a fasciculului, stabilitate bună, rezistență puternică la interferențele mediului, fără reglare, fără întreținere și structură compactă. Datorită faptului că ionii dopați sunt în principal Nd+3, Yb+3, Er+3, Tm+3, Ho+3, toate utilizând fibre de pământuri rare ca mediu de câștig, laserul cu fibră dezvoltat de companie poate fi numit și laser cu fibră de pământuri rare.

Aplicație laser: Laserul cu fibră dublă placată dopată cu yterbiu de mare putere a devenit un domeniu fierbinte în tehnologia laserelor în stare solidă la nivel internațional în ultimii ani. Acesta are avantajele unei calități bune a fasciculului, structurii compacte și eficienței ridicate de conversie și are perspective largi de aplicare în procesarea industrială și alte domenii. Fibrele dopate cu yterbiu dublu placate sunt potrivite pentru pomparea cu laser semiconductor, cu eficiență ridicată de cuplare și putere mare de ieșire a laserului și reprezintă principala direcție de dezvoltare a fibrelor dopate cu yterbiu. Tehnologia fibrelor dopate cu yterbiu dublu placate din China nu mai este la egalitate cu nivelul avansat al țărilor străine. Fibra dopată cu yterbiu, fibra dopată cu yterbiu dublu placată și fibra co-dopată cu erbiu-yterbiu dezvoltată în China a atins nivelul avansat al produselor străine similare în ceea ce privește performanța și fiabilitatea, are avantaje de cost și are tehnologii de bază brevetate pentru mai multe produse și metode.

Compania germană de lasere IPG, de renume mondial, a anunțat recent că noul său sistem laser cu fibră dopată cu yterbiu are caracteristici excelente ale fasciculului, o durată de viață a pompei de peste 50.000 de ore, o lungime de undă centrală de emisie de 1070 nm-1080 nm și o putere de ieșire de până la 20 kW. Acesta a fost utilizat în sudarea fină, tăierea și forarea rocilor.

Materialele laser reprezintă nucleul și fundamentul dezvoltării tehnologiei laser. În industria laserelor a existat întotdeauna o vorbă: „o generație de materiale, o generație de dispozitive”. Pentru a dezvolta dispozitive laser avansate și practice, este necesar să se dețină mai întâi materiale laser de înaltă performanță și să se integreze alte tehnologii relevante. Cristalele laser dopate cu ytterbiu și sticla laser, ca nouă forță a materialelor laser solide, promovează dezvoltarea inovatoare a comunicațiilor cu fibră optică și a tehnologiei laser, în special în tehnologiile laser de ultimă generație, cum ar fi laserele de fuziune nucleară de mare putere, laserele cu țiglă de mare energie și laserele pentru arme de mare energie.

În plus, yterbiul este utilizat și ca activator de pulbere fluorescentă, ceramică radio, aditivi pentru componente electronice de memorie pentru computere (bule magnetice) și aditivi pentru sticlă optică. Trebuie subliniat faptul că ytriul și ytriul sunt ambele elemente de pământuri rare. Deși există diferențe semnificative în ceea ce privește denumirile și simbolurile elementelor în limba engleză, alfabetul fonetic chinezesc are aceleași silabe. În unele traduceri chinezești, ytriul este uneori denumit în mod eronat ytriu. În acest caz, trebuie să urmărim textul original și să combinăm simbolurile elementelor pentru a confirma.