Magisches Seltenerdelement: Ytterbium

Ytterbium: Ordnungszahl 70, Atomgewicht 173,04, Elementname abgeleitet von seinem Entdeckungsort. Der Ytterbiumgehalt in der Kruste beträgt 0,000266 % und kommt hauptsächlich in Phosphorit- und schwarzen seltenen Goldvorkommen vor. Der Gehalt in Monazit beträgt 0,03 % und es gibt 7 natürliche Isotope

Entdeckt

Von: Marinak

Zeit: 1878

Standort: Schweiz

Im Jahr 1878 entdeckten die Schweizer Chemiker Jean Charles und G Marignac ein neues Seltenerdelement in „Erbium“. Im Jahr 1907 wiesen Ulban und Weils darauf hin, dass Marignac eine Mischung aus Lutetiumoxid und Ytterbiumoxid trennte. In Erinnerung an das kleine Dorf namens Yteerby in der Nähe von Stockholm, wo Yttriumerz entdeckt wurde, wurde dieses neue Element Ytterbium mit dem Symbol Yb genannt.

Elektronenkonfiguration

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

Metall

Metallisches Ytterbium ist silbergrau, duktil und hat eine weiche Textur. Bei Raumtemperatur kann Ytterbium durch Luft und Wasser langsam oxidiert werden.

Es gibt zwei Kristallstrukturen: α- Der Typ ist ein kubisch-flächenzentriertes Kristallsystem (Raumtemperatur -798 °C); β- Der Typ ist ein kubisch raumzentriertes (über 798 ℃) Gitter. Schmelzpunkt 824 ℃, Siedepunkt 1427 ℃, relative Dichte 6,977 (α-Typ), 6,54 (β-Typ).

Unlöslich in kaltem Wasser, löslich in Säuren und flüssigem Ammoniak. Es liegt recht stabil in der Luft. Ähnlich wie Samarium und Europium gehört Ytterbium zu den seltenen Erden mit variabler Wertigkeit und kann neben der üblicherweise dreiwertigen Form auch in einem positiv zweiwertigen Zustand vorliegen.

Aufgrund dieser variablen Valenzcharakteristik sollte die Herstellung von metallischem Ytterbium nicht durch Elektrolyse, sondern durch Reduktionsdestillation zur Herstellung und Reinigung erfolgen. Normalerweise wird Lanthanmetall als Reduktionsmittel für die Reduktionsdestillation verwendet, wobei der Unterschied zwischen dem hohen Dampfdruck des Ytterbiummetalls und dem niedrigen Dampfdruck des Lanthanmetalls genutzt wird. Alternativ,Thulium, Ytterbium, UndLutetiumKonzentrate können als Rohstoffe verwendet werden, undMetall Lanthankann als Reduktionsmittel verwendet werden. Unter Hochtemperatur-Vakuumbedingungen von >1100 °C und <0,133 Pa kann metallisches Ytterbium direkt durch Reduktionsdestillation extrahiert werden. Wie Samarium und Europium kann auch Ytterbium durch Nassreduktion abgetrennt und gereinigt werden. Als Rohstoffe werden üblicherweise Thulium-, Ytterbium- und Lutetiumkonzentrate verwendet. Nach der Auflösung wird Ytterbium in einen zweiwertigen Zustand reduziert, was zu erheblichen Unterschieden in den Eigenschaften führt, und dann von anderen dreiwertigen Seltenen Erden getrennt. Die Herstellung von hochreinemYtterbiumoxidwird üblicherweise durch Extraktionschromatographie oder Ionenaustauschverfahren durchgeführt.

Anwendung

Wird zur Herstellung von Sonderlegierungen verwendet. Ytterbiumlegierungen werden in der Zahnmedizin für metallurgische und chemische Experimente eingesetzt.

In den letzten Jahren ist Ytterbium in den Bereichen Glasfaserkommunikation und Lasertechnologie aufgetaucht und hat sich rasch weiterentwickelt.

Mit dem Bau und der Entwicklung der „Informationsautobahn“ stellen Computernetzwerke und Glasfaserfernübertragungssysteme immer höhere Anforderungen an die Leistung von Glasfasermaterialien, die in der optischen Kommunikation verwendet werden. Ytterbiumionen können aufgrund ihrer hervorragenden spektralen Eigenschaften ebenso wie Erbium und Thulium als Faserverstärkungsmaterialien für die optische Kommunikation verwendet werden. Obwohl das Seltenerdelement Erbium immer noch der Hauptakteur bei der Herstellung von Faserverstärkern ist, weisen herkömmliche mit Erbium dotierte Quarzfasern eine geringe Verstärkungsbandbreite (30 nm) auf, was es schwierig macht, die Anforderungen einer Informationsübertragung mit hoher Geschwindigkeit und hoher Kapazität zu erfüllen. Yb3+-Ionen haben einen viel größeren Absorptionsquerschnitt als Er3+-Ionen um 980 nm. Durch den Sensibilisierungseffekt von Yb3+ und den Energietransfer von Erbium und Ytterbium kann das 1530-nm-Licht erheblich verstärkt werden, wodurch die Verstärkungseffizienz des Lichts erheblich verbessert wird.

In den letzten Jahren wurde Erbium-Ytterbium-co-dotiertes Phosphatglas von Forschern zunehmend bevorzugt. Phosphat- und Fluorphosphatgläser weisen eine gute chemische und thermische Stabilität sowie eine breite Infrarotdurchlässigkeit und große ungleichmäßige Verbreiterungseigenschaften auf, was sie zu idealen Materialien für breitbandige und mit Erbium dotierte Verstärkungsfasergläser mit hoher Verstärkung macht. Yb3+-dotierte Faserverstärker können eine Leistungsverstärkung und Kleinsignalverstärkung erreichen, wodurch sie für Bereiche wie faseroptische Sensoren, Freiraum-Laserkommunikation und Ultrakurzpulsverstärkung geeignet sind. China hat derzeit das weltweit größte optische Übertragungssystem mit Einzelkanalkapazität und schnellster Geschwindigkeit gebaut und verfügt über die breiteste Informationsautobahn der Welt. Dabei spielen mit Ytterbium und anderen seltenen Erden dotierte Faserverstärker und Lasermaterialien eine entscheidende und bedeutende Rolle.

Die spektralen Eigenschaften von Ytterbium werden auch als hochwertige Lasermaterialien genutzt, sowohl als Laserkristalle, Lasergläser und Faserlaser. Als Hochleistungslasermaterial haben Ytterbium-dotierte Laserkristalle eine riesige Serie gebildet, darunter Ytterbium-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat (Yb: YAG), Ytterbium-dotierter Gadolinium-Gallium-Granat (Yb: GGG) und Ytterbium-dotiertes Calciumfluorphosphat (Yb: FAP). , Ytterbium-dotiertes Strontiumfluorphosphat (Yb: S-FAP), Ytterbium-dotiertes Yttriumvanadat (Yb: YV04), Ytterbium-dotiertes Borat und Silikat. Der Halbleiterlaser (LD) ist eine neuartige Pumpquelle für Festkörperlaser. Yb: YAG verfügt über viele Eigenschaften, die für das Hochleistungs-LD-Pumpen geeignet sind, und hat sich zu einem Lasermaterial für das Hochleistungs-LD-Pumpen entwickelt. Yb: S-FAP-Kristall könnte in Zukunft als Lasermaterial für die Laser-Kernfusion verwendet werden, was die Aufmerksamkeit der Menschen auf sich gezogen hat. Bei abstimmbaren Laserkristallen handelt es sich um Chrom-Ytterbium-Holmium-Yttrium-Aluminium-Gallium-Granat (Cr, Yb, Ho: YAGG) mit Wellenlängen von 2,84 bis 3,05 μ. Stufenlos einstellbar zwischen m. Laut Statistik verwenden die meisten Infrarotsprengköpfe, die weltweit in Raketen eingesetzt werden, 3–5 μ. Daher kann die Entwicklung von Cr-, Yb- und Ho-YSGG-Lasern wirksame Interferenzen für Gegenmaßnahmen gegen gelenkte Waffen im mittleren Infrarotbereich liefern und ist von großer militärischer Bedeutung. China hat auf dem Gebiet der Ytterbium-dotierten Laserkristalle (Yb: YAG, Yb: FAP, Yb: SFAP usw.) eine Reihe innovativer Ergebnisse mit internationalem Spitzenniveau erzielt und Schlüsseltechnologien wie Kristallwachstum und Laserschnell-, Puls-, kontinuierliche und einstellbare Leistung. Die Forschungsergebnisse wurden in der Landesverteidigung, in der Industrie und im wissenschaftlichen Ingenieurwesen angewendet, und mit Ytterbium dotierte Kristallprodukte wurden in mehrere Länder und Regionen wie die Vereinigten Staaten und Japan exportiert.

Eine weitere wichtige Kategorie von Ytterbium-Lasermaterialien ist Laserglas. Es wurden verschiedene Lasergläser mit hohem Emissionsquerschnitt entwickelt, darunter Germaniumtellurit, Siliziumniobat, Borat und Phosphat. Aufgrund der einfachen Glasformung kann es in großen Größen hergestellt werden und verfügt über Eigenschaften wie hohe Lichtdurchlässigkeit und hohe Gleichmäßigkeit, was die Herstellung von Hochleistungslasern ermöglicht. Das bekannte Seltenerd-Laserglas war früher hauptsächlich Neodymglas, das auf eine über 40-jährige Entwicklungsgeschichte und eine ausgereifte Produktions- und Anwendungstechnologie zurückblickt. Es war schon immer das bevorzugte Material für Hochleistungslasergeräte und wurde in experimentellen Geräten zur Kernfusion und in Laserwaffen verwendet. Die in China gebauten Hochleistungslasergeräte, die aus Laser-Neodymglas als Hauptlasermedium bestehen, haben das weltweit fortschrittlichste Niveau erreicht. Aber Laser-Neodym-Glas steht jetzt vor einer gewaltigen Herausforderung durch Laser-Ytterbium-Glas.

In den letzten Jahren hat eine Vielzahl von Studien gezeigt, dass viele Eigenschaften von Laser-Ytterbiumglas diejenigen von Neodymglas übertreffen. Aufgrund der Tatsache, dass mit Ytterbium dotierte Lumineszenz nur zwei Energieniveaus aufweist, ist die Energiespeichereffizienz hoch. Bei gleichem Gewinn hat Ytterbiumglas eine 16-mal höhere Energiespeichereffizienz als Neodymglas und eine dreimal so hohe Fluoreszenzlebensdauer wie Neodymglas. Es bietet außerdem Vorteile wie eine hohe Dotierungskonzentration und Absorptionsbandbreite und kann direkt von Halbleitern gepumpt werden, was es sehr gut für Hochleistungslaser geeignet macht. Die praktische Anwendung von Ytterbium-Laserglas ist jedoch häufig auf die Unterstützung von Neodym angewiesen, beispielsweise auf die Verwendung von Nd3+ als Sensibilisator, damit Ytterbium-Laserglas bei Raumtemperatur funktioniert und eine μ-Laseremission bei m Wellenlänge erreicht wird. Ytterbium und Neodym sind also sowohl Konkurrenten als auch Kooperationspartner im Bereich Laserglas.

Durch die Anpassung der Glaszusammensetzung können viele Lumineszenzeigenschaften von Ytterbium-Laserglas verbessert werden. Mit der Entwicklung von Hochleistungslasern als Hauptrichtung werden Laser aus Ytterbium-Laserglas zunehmend in der modernen Industrie, Landwirtschaft, Medizin, wissenschaftlichen Forschung und militärischen Anwendungen eingesetzt.

Militärische Nutzung: Die Nutzung der durch Kernfusion erzeugten Energie als Energiequelle war schon immer ein erwartetes Ziel, und die Erreichung einer kontrollierten Kernfusion wird für die Menschheit ein wichtiges Mittel zur Lösung von Energieproblemen sein. Ytterbium-dotiertes Laserglas wird im 21. Jahrhundert aufgrund seiner hervorragenden Laserleistung zum bevorzugten Material für die Verbesserung der Inertial Confinement Fusion (ICF).

Laserwaffen nutzen die enorme Energie eines Laserstrahls, um Ziele zu treffen und zu zerstören, erzeugen dabei Temperaturen von Milliarden Grad Celsius und greifen direkt mit Lichtgeschwindigkeit an. Sie können als Nadana bezeichnet werden und haben eine große Tödlichkeit, besonders geeignet für moderne Luftverteidigungswaffensysteme in der Kriegsführung. Die hervorragende Leistungsfähigkeit von Ytterbium-dotiertem Laserglas hat es zu einem wichtigen Grundmaterial für die Herstellung leistungsstarker und leistungsstarker Laserwaffen gemacht.

Faserlaser ist eine sich schnell entwickelnde neue Technologie und gehört ebenfalls zum Bereich der Laserglasanwendungen. Bei einem Faserlaser handelt es sich um einen Laser, der Fasern als Lasermedium verwendet, was ein Produkt der Kombination von Faser- und Lasertechnologie ist. Es handelt sich um eine neue Lasertechnologie, die auf der Basis der EDFA-Technologie (Erbium Doped Fiber Amplifier) ​​entwickelt wurde. Ein Faserlaser besteht aus einer Halbleiterlaserdiode als Pumpquelle, einem faseroptischen Wellenleiter und einem Verstärkungsmedium sowie optischen Komponenten wie Gitterfasern und Kopplern. Eine mechanische Anpassung des Strahlengangs ist nicht erforderlich und der Mechanismus ist kompakt und einfach zu integrieren. Im Vergleich zu herkömmlichen Festkörperlasern und Halbleiterlasern bietet er technologische und leistungsbezogene Vorteile wie hohe Strahlqualität, gute Stabilität, hohe Beständigkeit gegen Umwelteinflüsse, keine Justierung, keine Wartung und eine kompakte Struktur. Aufgrund der Tatsache, dass es sich bei den dotierten Ionen hauptsächlich um Nd+3, Yb+3, Er+3, Tm+3, Ho+3 handelt, die alle Seltenerdfasern als Verstärkungsmedium verwenden, kann der vom Unternehmen entwickelte Faserlaser dies auch kann als Seltenerd-Faserlaser bezeichnet werden.

Laseranwendung: Hochleistungs-Ytterbium-dotierte Doppelmantel-Faserlaser haben sich in den letzten Jahren international zu einem heißen Feld in der Festkörperlasertechnologie entwickelt. Es bietet die Vorteile einer guten Strahlqualität, einer kompakten Struktur und einer hohen Umwandlungseffizienz und bietet breite Anwendungsaussichten in der industriellen Verarbeitung und anderen Bereichen. Doppelt ummantelte Ytterbium-dotierte Fasern eignen sich für das Pumpen von Halbleiterlasern mit hoher Kopplungseffizienz und hoher Laserausgangsleistung und sind die Hauptentwicklungsrichtung von Ytterbium-dotierten Fasern. Chinas Technologie für doppelt ummantelte, mit Ytterbium dotierte Fasern ist nicht mehr auf dem gleichen Niveau wie andere Länder. Die in China entwickelten Ytterbium-dotierten Fasern, doppelt ummantelten Ytterbium-dotierten Fasern und Erbium-Ytterbium-Co-dotierten Fasern haben in Bezug auf Leistung und Zuverlässigkeit das fortgeschrittene Niveau ähnlicher ausländischer Produkte erreicht, weisen Kostenvorteile auf und verfügen über patentierte Kerntechnologien für mehrere Produkte und Methoden .

Das weltbekannte deutsche IPG-Laserunternehmen gab kürzlich bekannt, dass sein neu eingeführtes Ytterbium-dotiertes Faserlasersystem über hervorragende Strahleigenschaften, eine Pumplebensdauer von über 50.000 Stunden, eine zentrale Emissionswellenlänge von 1070 nm bis 1080 nm und eine Ausgangsleistung von bis zu 20 kW verfügt. Es wurde beim Feinschweißen, Schneiden und Bohren von Gesteinen eingesetzt.

Lasermaterialien sind Kern und Grundlage für die Entwicklung der Lasertechnologie. In der Laserindustrie gilt seit jeher das Sprichwort „Eine Generation von Materialien, eine Generation von Geräten“. Um fortschrittliche und praktische Lasergeräte zu entwickeln, ist es notwendig, zunächst über leistungsstarke Lasermaterialien zu verfügen und andere relevante Technologien zu integrieren. Mit Ytterbium dotierte Laserkristalle und Laserglas fördern als neue Kraft fester Lasermaterialien die innovative Entwicklung der faseroptischen Kommunikation und Lasertechnologie, insbesondere bei hochmodernen Lasertechnologien wie Hochleistungs-Kernfusionslasern und Hochenergie-Beat Fliesenlaser und hochenergetische Waffenlaser.

Darüber hinaus wird Ytterbium auch als Leuchtstoffpulveraktivator, Radiokeramik, Zusatzstoffe für elektronische Computerspeicherkomponenten (Magnetblasen) und optische Glaszusätze verwendet. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass Yttrium und Yttrium beide Seltenerdelemente sind. Obwohl es erhebliche Unterschiede bei englischen Namen und Elementsymbolen gibt, hat das chinesische phonetische Alphabet die gleichen Silben. In einigen chinesischen Übersetzungen wird Yttrium manchmal fälschlicherweise als Yttrium bezeichnet. In diesem Fall müssen wir den Originaltext zurückverfolgen und zur Bestätigung Elementsymbole kombinieren.