Reines Samarium CAS 7440-19-9

Reines Samariumist ein Metallelement mit dem chemischen Symbol Sm und der Ordnungszahl 62. Es handelt sich um ein silberweißes Metall mittlerer Härte, das an der Luft leicht oxidiert. Als typischer Bestandteil der Lanthanoidenreihe nimmt Samarium meist die Oxidationsstufe +3. an. SmO, SmS, SmSe und SmTe sind die häufigsten Verbindungen von Samarium (II). Samarium hat keine nennenswerte biologische Wirkung, nur eine geringe Toxizität. Es kommt zusammen mit anderen Seltenerdelementen im Monazitsand vor. Die in Monazit enthaltenen Seltenerdelemente sowie Kalzium und Thorium kommen in den Flusssanden Indiens und Brasiliens sowie in den Küstenflusssanden Floridas vor. Der Massenanteil der Seltenerdelemente im Monazitsand beträgt üblicherweise 50 %, wovon 2,8 % auf Samarium entfallen. Darüber hinaus kommt Samarium auch in Bastnäsit vor, das hauptsächlich in Südkalifornien verbreitet ist. Um Samarium von seinen Mineralien zu trennen, ist eine Ionenaustauschtechnologie erforderlich.

Reines SamariumAls wichtiges Mitglied der Familie der Seltenerdelemente hat es aufgrund seiner einzigartigen physikalischen und chemischen Eigenschaften in zahlreichen Bereichen einen unersetzlichen Einsatzwert bewiesen.

Permanentmagnetmaterialien: die dominierende Leistung in Hochtemperaturumgebungen

 

Der Samarium-Kobalt-Permanentmagnet (SmCo) ist ein Pionier bei Seltenerd-Permanentmagnetmaterialien mit magnetischen Eigenschaften, die nur Neodym-Eisen-Bor übertreffen. Es bietet jedoch erhebliche Vorteile in Bezug auf Hochtemperaturstabilität, Entmagnetisierungsbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit.

Technical characteristics: Samarium cobalt magnets are divided into two categories: SmCo ₅ series and Sm ₂ Co ₁ series. The latter has become mainstream due to its higher magnetic energy product (up to 32MGOe) and coercivity (>25kOe). Seine maximale Arbeitstemperatur erreicht 350 Grad, und einige Modelle können extremen Umgebungen von 538 Grad standhalten. Die magnetische Änderungsrate beträgt weniger als 0,03 %/Grad, was die Zuverlässigkeit von Präzisionssystemen bei Temperaturunterschieden gewährleistet.

 

Militärische Anwendungen:
F-35-Kampfflugzeug: Jedes Flugzeug benötigt 23 Kilogramm Samarium-Kobalt-Magnete, um Radarservosysteme und Hochtemperaturmotoren (beständig gegen 538 Grad) anzutreiben und so eine präzise Steuerung unter extremen Arbeitsbedingungen zu gewährleisten. Neodym-Eisen-Bor-Magnete können aufgrund von Problemen mit der magnetischen Dämpfung bei hohen Temperaturen nicht ersetzt werden.
Raketenleitsystem: Der Samarium-Kobalt-Magnet treibt den Kegelmotor des Gefechtskopfs an und sorgt so für magnetische Stabilität in der durch Überschallflüge erzeugten Hochtemperatur-Reibungsumgebung. Seine antielektromagnetischen Interferenzeigenschaften gewährleisten die Zuverlässigkeit von Laser-/Infrarot-Leitsignalen.

 

Atom-U-Boot: Das Sonar-Erkennungssystem des Atom-U-Bootes der Virginia-Klasse basiert auf Samarium-Kobalt-Magneten, um schwache Schallwellen zu erfassen, und der Antriebsmotor verwendet Samarium-Magnete, um einen geräuschlosen Betrieb zu gewährleisten und die Exposition magnetischer Eigenschaften zu vermeiden.
Industrielle Anwendungen: In Bereichen wie Satellitennavigation, Hochfrequenzröhren, Mikrowellengeräten usw. sorgen Samarium-Kobalt-Magnete für stabile Magnetfelder, um die Systemgenauigkeit sicherzustellen. Beispielsweise verwendeten die Positionierungsinstrumente der Raumsonde Apollo 11 Samarium-Kobalt-Magnete, um sich an die extrem niedrige Temperaturumgebung des Mondes anzupassen.

Nuklearindustrie: Regelventil zur sicheren Nutzung der Kernspaltung

 

Das Isotop Samarium-149 (Sm-149) von Samarium hat einen extrem hohen thermischen Neutroneneinfangquerschnitt (42.000 bar) und ist ein wichtiges Kontrollmaterial für Kernreaktoren.

Neutronenabsorption: Sm-149 reguliert die Geschwindigkeit von Kernreaktionen durch die Absorption von Neutronen und verhindert so unkontrollierte Kettenreaktionen. Seine Absorptionsfähigkeit übertrifft die herkömmlicher Materialien wie Cadmium bei weitem und seine Leistung ist bei hohen Temperaturen stabil.
Strukturmaterial: Samarium-Legierung kann zur Herstellung von Reaktorabschirmschichten verwendet werden, die Gammastrahlen und Neutronenstrahlung wirksam blockieren und so Personal und Umwelt schützen.

Strategische Bedeutung: Nachdem China Exportkontrollen für seltene Erden wie Samariu eingeführt hatte, kam die US-amerikanische F-35-Produktionslinie aufgrund eines Mangels an Samariu-Kobaltmagneten zum Stillstand, und die Aufrüstung von Atom-U-Booten verzögerte sich, was die Verwundbarkeit der westlichen militärischen Lieferkette offenlegte. Die 500-Tonnen-Reserve des Pentagons an Seltenen Erden reicht nur für kurzfristige Notfälle aus, was den strategischen Wert von Samarium im Bereich der nuklearen Energiesicherheit unterstreicht.

Medizinischer Bereich: die „Präzisionswaffe“ zur Behandlung von Krebsschmerzen

 

Das radioaktive Isotop Samarium-153 (Sm-153) von Samarium spielt eine entscheidende Rolle in der medizinischen Bildgebung und Krebsbehandlung.

Lai Xijue Nan Samarium-Injektion: Wird zur Behandlung von durch osteogene Knochenmetastasen verursachten Schmerzen eingesetzt. Die emittierten Betapartikel können Krebszellen angreifen und zerstören und gleichzeitig Schäden an normalem Gewebe reduzieren. Klinische Statistiken zeigen, dass die Schmerzlinderungsrate des Arzneimittels bei Knochenmetastasen von Brustkrebs, Lungenkrebs und Prostatakrebs mehr als 80 % beträgt.
Medizinische Bildgebung: Sm-153 dient als Tracer zur Lokalisierung von Tumormetastasen durch Knochenscans und hilft Ärzten bei der Entwicklung präziser Behandlungspläne.
Technischer Vorteil:Reines SamariumVerbindungen können hohen Temperaturen über 700 Grad standhalten, ohne ihren Magnetismus zu verlieren, und gewährleisten so die Stabilität von Arzneimitteln während der Herstellung und Lagerung.

Optik und elektronische Materialien: „Additive“ für funktionale Erweiterungen

 

Samariumverbindungen fördern technologische Innovationen in den Bereichen Optik und Elektronik durch die Verbesserung der Materialeigenschaften.

Lasermaterial: Samariu-dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat (Sm: YAG)-Kristall ist die Kernkomponente von Festkörperlasern und seine emittierte Laserwellenlänge von 1,06 μm eignet sich für medizinische, industrielle Verarbeitung und militärisch gerichtete Energiewaffen. Die Dotierung von Samariu kann die Lasereffizienz um mehr als 30 % verbessern.
Optisches Glas: Die Zugabe von Samariumoxid (Sm₂ O3) kann den Brechungsindex (über 1,8) und die Verschleißfestigkeit des Glases erhöhen und dem Glas gleichzeitig spezielle gelbe Fluoreszenzeigenschaften verleihen, die zur Herstellung hochpräziser optischer Instrumente wie Mikroskope und Teleskope verwendet werden.
Piezoelektrische Keramik: Samariu-Oxid als Zusatz kann das Sintern und die Dichte von Keramik verbessern, wodurch geeignete piezoelektrische Effekte erzeugt werden, und wird häufig in Bereichen wie Sensoren und Ultraschallwandlern eingesetzt.

Katalyse und Keramikindustrie: Booster zur Effizienzsteigerung

 

Samariu-Verbindungen weisen eine effiziente katalytische Leistung bei chemischen Reaktionen und der Keramikherstellung auf.

Erdölraffinierung: Katalysatoren auf Samariu-Basis können das Cracken von Schweröl fördern, die Benzinausbeute um 10–15 % steigern und Schwefeloxidemissionen reduzieren.
Speicherung von Wasserstoffenergie: Eine Lanthan-Nickel-Legierung (die Samarium enthält) kann eine große Menge Wasserstoffgas absorbieren, um Metallhydride zu bilden, was voraussichtlich das Problem der sicheren Speicherung und des sicheren Transports von Wasserstoffenergie lösen wird.
Keramikkondensatoren: Die Dotierung mit Samariumoxid kann die Dielektrizitätskonstante von Keramik erhöhen, dielektrische Verluste reduzieren und eignet sich für Hochfrequenzschaltungen und Impulsstromsysteme.

Aufstrebende Bereiche: die Spitze technologischer Durchbrüche

 

Mit der Entwicklung der Technologie tauchen nach und nach die potenziellen Anwendungen von Samarium in Stealth-Materialien, der Supraleitungstechnologie und anderen Bereichen auf.

Stealth-Material: Samariu-basierte Metamaterialien können Radarwellen und Infrarotstrahlung regulieren und so eine Radar-Infrarot-Dualband-Stealth-Funktion für Kampfjets/Schiffe erreichen und so die Bandbreitenbeschränkungen herkömmlicher absorbierender Materialien durchbrechen.
Supraleitende Technologie: Bestimmte Samariumverbindungen weisen bei niedrigen Temperaturen Supraleitung auf und bilden eine materielle Grundlage für Magnetschwebebahnen und Quantencomputer.

Hyperschallrakete: Samariu-Oxid kann als hochtemperaturbeständiger Keramikzusatz die Wärmeschutzschicht der Rakete bei einer Fluggeschwindigkeit von Mach 5 vor Schäden schützen.

 

Samariu ist mit seinen einzigartigen physikalischen und chemischen Eigenschaften zu einer „Brücke“ geworden, die traditionelle Industrie mit modernster Technologie verbindet. Von Hochtemperatur-Permanentmagneten bis hin zu Steuerstäben für Kernreaktoren, von Medikamenten zur Behandlung von Krebsschmerzen bis hin zu Laserkristallen – die Anwendung von Samarium erstreckt sich über zahlreiche Dimensionen der menschlichen Gesellschaft. Mit Chinas strategischer Kontrolle und technologischer Weiterentwicklung der Ressourcen seltener Erden wird sich das globale Lieferkettenmuster von Samariu weiterentwickeln und seine marktbeherrschende Stellung in Schlüsselbereichen wird weiter gefestigt. Mit Durchbrüchen in aufstrebenden Bereichen wie Stealth-Materialien und Supraleitungstechnologie wird der potenzielle Wert von Samarium in Zukunft noch besser ausgeschöpft.

Zur Vorbereitung vonreines Samarium, Metallsamarium kann durch Reduktion von Samariumoxid mit Barium oder Lanthan hergestellt werden.

Reduktionsdestillationsmethode von Samariu-Oxid: Der Vorteil der Reduktionsdestillationsmethode besteht darin, dass Seltenerdoxide direkt als Rohstoffe verwendet werden und die Reduktions- und Destillationsprozesse gleichzeitig durchgeführt werden, wodurch der Prozess vereinfacht wird. Die Reinheit der erhaltenen Metallprodukte ist hoch. Darüber hinaus ist der Rückstand der Reduktionsdestillation ebenfalls ein Seltenerdoxid, das recycelt werden kann.

Denn Samarium hat einen hohen Dampfdruck, während der Dampfdruck des Reduktionsmittels Lanthan niedrig ist. La: Bei 1754 Grad beträgt der Dampfdruck 1,33 Pa; Bei 2217 Grad beträgt der Dampfdruck 133,32 PaSm; Bei 722 Grad beträgt der Dampfdruck 1,33 Pa; Bei 964 Grad beträgt der Dampfdruck 133,32 Pa; Daher kann die Lanthan-Reduktionsdestillationsmethode von Oxiden zur Herstellung des Metallsamariums verwendet werden: 2La (l)+Sm2O3 (s) 1600La2O3 (s)+2Sm (g). Das bei der Reaktion entstehende Samariu kann durch Verflüchtigung aus dem Reaktor entfernt werden, was die vollständige Reaktion fördern kann.

Beim Reduktionsdestillationsprozess wird Samariumoxid 15 Stunden lang an der Luft auf 800 Grad erhitzt, um die mögliche Absorption von H2O und CO2 zu verhindern. Drehen Sie das geschmolzene Metall Lanthan bei 1800 Grad in Metallspäne. Mischen Sie 550 g kalziniertes Sm2O3 und 540 g La-Metallspäne [Überschuss 15 % (Massenanteil)] und passieren Sie die Barrenpressung (9,8–49) × 107 Pa. Geben Sie es in einen Ta-Tiegel mit einem Durchmesser von 6,4 cm und einer Länge von 25,4 cm und befestigen Sie einen 20-cm-Ta-Kondensator und eine Ta-Ablenkplatte am oberen Teil des Tiegels, um übermäßiges zu verhindern verhindert, dass Oxidpartikel entfernt werden. Stellen Sie das Gerät in die Hochtemperaturzone des Vakuum-Induktionsofens. Wenn das System auf einen Druck von weniger als 0,1 Pa evakuiert wird, beginnt es sich zu erwärmen. Nach 2 Stunden erreicht es die maximale Temperatur von 1600 Grad und bleibt weitere 2 Stunden bei dieser Temperatur. Es ist wichtig, die Temperatur langsam zu erhöhen, denn wenn die Temperatur zu schnell ansteigt, schmilzt La und läuft auf den Boden des Tiegels, wodurch der Kontakt der Reaktanten beeinträchtigt wird. Das reduzierte Metall wird aus der Reaktionszone abdestilliert und am Kondensator kondensiert. Es können etwa 465 g Samariu mit einer Ausbeute von 98 % gewonnen werden. Wenn die Temperatur des Kondensators 300–500 Grad beträgt, weist das kondensierte Metall große kristalline Partikel auf und ist in der Luft stabil. Wenn die Kondensationstemperatur jedoch niedrig ist, sind die kondensierten Metallpartikel fein und in der Luft brennbar. Die Reinheit des Produkts aus einer Reduktionsdestillation kann 99,5 % oder mehr erreichen, es enthält jedoch immer noch Hunderte von La, O und H in der Größenordnung von 10-6. Diese Verunreinigungen können durch erneute Destillation oder Sublimation weiter reduziert werden. Die Sublimationstemperatur beträgt 800 Grad und die Kondensationstemperatur beträgt ~500 Grad. Der für die Reduktionsdestillation verwendete Tiegel kann zur Sublimation verwendet werden. Allerdings sollte der Tiegel vorher mit Säure gebeizt und im Vakuum bei 1800 Grad entgast werden.

Entdeckungsprozess:reines Samariumist eines der Lanthanidenelemente (gehört zu den Seltenerdelementen), die die Chemiker im 19. Jahrhundert verwirrten und verwirrten. Seine Geschichte begann mit der Entdeckung von Cer im Jahr 1803.

Cer soll andere Metalle enthalten. Carl Mosander behauptete 1839, daraus Lanthan und Didymium gewonnen zu haben, doch Didymium ist in Wirklichkeit eine Mischung aus Praseodym und Neodym. Im Jahr 1879 gewann Paul Lecoq de Boisbaudran erneut Didymium aus Niob-Yttrium-Erzen. Später stellte er eine Lösung aus Salpetersäure und Didymium her und fügte Ammoniumhydroxid hinzu. Es wurde festgestellt, dass die Sedimentbildung in zwei Stufen erfolgte. Er konzentrierte sich auf die erste Lagerstätte, maß ihr Spektrum und kam zu dem Schluss, dass es sich um ein neues Element, Samarium, handelte. (Tatsächlich wurde Europium 1901 in Samarium gefunden)

Mineralverteilung: Koexistiert mit anderen Seltenerdelementen im Monazitsand. Die in Monazit enthaltenen Seltenerdelemente sowie Kalzium und Thorium kommen in den Flusssanden Indiens und Brasiliens sowie in den Küstenflusssanden Floridas vor. Der Massenanteil der Seltenerdelemente im Monazitsand beträgt üblicherweise 50 %, wovon 2,8 % auf Samarium entfallen. Darüber hinaus kommt Samarium auch in Bastnäsit vor, das hauptsächlich in Südkalifornien verbreitet ist. Um Samarium von seinen Mineralien zu trennen, ist eine Ionenaustauschtechnologie erforderlich.

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