Nadir toprak metalleri elektronik için neden önemlidir?

Medyada nadir toprak metallerinin ne kadar önemli olduğu konusunda çok şey duydum (Çin'in ihracatını sınırlayan ekonomik bakış açısından), ancak bazıları gerçekten ne yapıyor, bu da onları daha fazla yapılamayacak kadar önemli kılıyor silikon, altın, bakır, alüminyum, germanyum vb. Transistörler gibi dijital bir bilgisayarın tüm yapı taşları onlarsız yapılabilir, öyleyse neden tüm yaygara?

Makaleler için biraz kazdım, ancak bunların hepsi genel halk için yazılıyor ve sadece hangi cihazların gerçek bileşenler yerine nadir topraklama gerektirdiğini adlandırıyor.

Tantal nadir topraklardan biri olmasa da - altın gibi "geçiş metallerinden" biridir - tantalumun kıtlığı (yerkabuğunun 1 veya 2 ppm'si) ve elektronikte birincil kullanım (tantal kapasitörler) bu sorunun kapsamı.

ABD'deki son mevzuat (Temmuz 2010), şirketlerin Kongo Demokratik Cumhuriyeti'nden (DRC) elde edilen tantal içeren ürünler kullandıklarını açıklamalarını gerektirmektedir. Sonuç olarak, diğer üreticiler yavaşça tekrar çevrimiçi olduklarından fiyatlar keskin bir şekilde arttı . Avustralya'daki bir maden potansiyel küresel dünya üretiminin 1 / 3'ünü temsil ediyor.

(Not: Grafiğin dikey ölçeği sıfırdan başlamaz, biraz bozuk bir görünüm verir. Tam boyutlu grafik burada )

Elektrolitik tantal kapasitörler aynı kapasiteye sahip alüminyum elektrolitik kapasitörlerden çok daha küçük olabileceğinden ve daha yüksek voltaj oranlarına sahip olduklarından, neredeyse tüm cep telefonlarında ve diğer taşınabilir elektronik ekipmanlarda kullanılırlar.

Birkaç yıl önce bir üründe birkaç 1000 μF "bronzluk" içinde tasarladım ve son zamanlarda sözleşme üreticisi, parçalardaki teslim süresinin 16 haftaya kadar uzandığını ve bir yedek bulabileceğimi sordu. Bu çalışmanın sonucunda, son tasarımımda, önemli bir yer cezası olmasına rağmen, yüzeye monte alüminyum elektrolitik kapasitörlere geri döndüm.

Ambalajı da dahil olmak üzere, gerçekten entegre bir devrede neler olduğuna bir göz atın. Silikonun kendisi boldur (yüksek saflıkta ve iyi kristal yapıda rafine etmek pahalıdır, ancak yine de bol miktardadır), ancak P ve N yarı iletken yapmak için kullanılan doping elemanları ne olacak? LED'ler ne olacak? Bunlar genellikle silikon değildir ve örneğin galyum içerir. Termal özellikleri silikonla yakından eşleşmesi gereken yarı iletkenlerde kullanılan özel seramikler ne olacak? Seramik kapasitörlerin varous seramiklerinin nelerden yapıldığına bir göz atın.

Elektronikte bakır ve silikondan çok daha fazla malzeme var.

Bahsettikleri mutlaka silikon çipler değil. Tantal kapasitörlere, lehim içine kalay, lityum pillere gider. Neodimyum, kapağı iPad'inize veya duvar adaptörünü MacBook'unuza tutan süper güçlü küçük mıknatıslara girer.

Bu çeşitli bileşenler, birçok durumda geçmişte daha bol elemanlardan zaten yapılmıştı, ancak malzeme bilimi atılımları, bazı (nispeten pahalı) ürünlerin ekstra malzeme maliyetine sahip olduğu ve buna değdiği büyük iyileştirmelere izin verdi. 1980'lerden bir Motorola "tuğla" cep telefonunu bir iPhone ile karşılaştırın ve sadece önemli ölçüde gelişen cips değil. Mıknatıslar demirden yapılabilir, piller kurşundan yapılabilir, kapasitörler alüminyumdan yapılabilir. Sadece bu cihazlar, daha modern muadillerinden çok daha büyük, daha ağır veya başka bir şekilde daha kötü.

Son zamanlarda bunların insan maliyetine değip değmediği, savaşta kaybedilen hayatlar ve tantal, kalay ve tungsten kaynağı olan Kongo madenleri çevresinde kölelik yaşandığı sorgulanıyor. Başka bir soru, dünyanın neodimyum gibi nadir toprak elementleri tedarikinin çoğunu sağlayan Çin'in kendi üretim kapasitesini artırmak için ihracatı azaltmasıyla ne olacağı. (Yanıt: Molycorp Kaliforniya'da eski bir mayını yeniden açıyor.)

Petrolle savaşan insanlar, petrolle çalışan bir araba sürmenin ahlaksız olup olmadığının karşılaştırılabilir bir argümanıdır. Sorun bugün petrolün nadir olduğu için çok nadir değil, çünkü gezegendeki kümelenmiş dağılımı, üretimi tekelleştirerek yoğunluğu daha eşit dağıtıldığından daha kolay hale getiriyor. Tabii ki birkaç on yıl içinde malzemelerin kurumasını hayal edebiliyoruz, ancak bu çoğu insanın bir sonraki arabasını tutacağı 5-15 yıldan biraz daha fazla. Kömür yakıtlı bir buhar motoruna veya aküleri şarj eden kömür yakıtlı bir elektrik tesisine veya aküleri şarj eden güneş panellerine sahip bir araca güç verebilirsiniz, ancak benzin şu anda çoğu ödeme yapan müşteriye göre en iyi özellik ve fiyat karışımına sahiptir. endişeli. İnsanlığın büyük kısmının, daha az maliyete uğramadan elektrikli otomobiller için benzinden vazgeçip vazgeçmeyeceği görülüyor.

Her şeyin kaçınılmaz olarak daha iyi olacağı şart değil. Piller, demir ve sodyum gibi daha fazla büyüklükteki diğer elemanlardan yapılabilir, ancak bu piller lityum pilin ağırlık başına enerjisine sahip olmayabilir. Birkaç yüzyılda, petrol, kömür, lityum vb. Çıkarıldıktan sonra, insanlar bugün olduğundan çok daha az menzile sahip olan arabaları sürecekler, ancak bu çok fazla önemli olmayacak kadar hızlı bir şekilde yeniden şarj edilecek. Öte yandan, çok daha iyi bir şey ortaya çıkabilir ya da kim bilir, belki o zamana kadar video konferans yapacağız.

Bu sorunlar üzerinde çalışan bilim adamları var, ancak malzeme bilimi yavaş bir alandır. Bir bilgisayarda yeni bir malzemenin makroskopik özelliklerini modellemek imkansız değilse bile çok zordur. İlerleme esas olarak eğitimli deneme yanılma yoluyla gerçekleşir. Yeni bir malzeme oldukça iyi anlaşılsa bile, teorik model ve deneysel test mükemmel bir şekilde sıralanmayabilir. İstenen özelliklerin bir istek listesinden yeni materyaller oluşturmaya çalışmak on yıllar alabilir.

Peki, tüm bunlar etrafında ticaret yaygara bir sürü var. Aslında, modern tüketici (mikro) elektroniklerinde çok az nadir toprak malzemelerine ihtiyacınız var. Bazı elektronikler gerçekten de büyük ölçüde onlara bağımlıdır (bazı lazer ve LED zamanları gibi), ancak önemli miktarda dünya üretimi tüketmezler. Ayrıca, kalıcı mıknatıslar için dikkate değer kullanım.

Nadir toprakların büyük kullanıcıları, uzay / askeri / nükleer alanlarda kullanılan özel çelik türleri ve diğer malzemelerdir (ve açıkça hiç kimse ülke başına ne kadar kullanıldığını açıklamayacaktır).

Ayrıca, buraya bir göz atın: http://en.wikipedia.org/wiki/Rare_earth_element#List

Nadir toprak metalleri elektronik için neden önemlidir?

"İyonik boyut" olarak adlandırılan aynı özellik bu metalleri her ikisini de yapar:

• elektriksel olarak olağanüstü
• ve jeolojik olarak nadir (onlara isim verdi)

Bu elementlerin her biri için iyonik boyutun atom kütlesi ile oranının bazı özel değeri, doğada konsantre olmalarını ve kimyasal olarak ayrılmalarını zorlaştıracaktır. Aynı oran ferroelektriklik, ferromanyetizma, oksitlerin yüksek dielektrik sabiti vb. Özelliklerin farklı iyonik boyutlara sahip diğer daha az nadir elementlerden daha üstün olmasına neden olur.

Nadir elementlerin yüksek maliyetinin doğal bir nedeni vardır. Yan not: Elektronikteki en nadir ve en pahalı unsurlar "unobtanium" ve "unffordium" dur.