Dlaczego metale ziem rzadkich są ważne dla elektroniki?

Wiele słyszałem w mediach o tym, jak ważne są metale ziem rzadkich (z ekonomicznego punktu widzenia Chin ograniczających ich eksport), ale co tak naprawdę robią niektóre z nich, czyni je tak istotnymi, że nie da się tego zrobić więcej wspólne elementy, takie jak krzem, złoto, miedź, aluminium, german itp.? Wydaje się, że wszystkie elementy składowe komputera cyfrowego, takie jak tranzystory, można wykonać bez nich, więc po co tyle zamieszania?

Odkopałem trochę artykułów, ale wszystkie są napisane dla ogółu społeczeństwa i podają tylko, jakie urządzenia wymagają metali ziem rzadkich, a nie rzeczywistych komponentów.

Chociaż tantal nie jest jednym z metali ziem rzadkich - jest jednym z „metali przejściowych”, takich jak złoto - niedobór tantalu (1 lub 2 ppm skorupy ziemskiej) i podstawowe zastosowanie w elektronice (kondensatory tantalu) pasuje do zakres tego pytania.

Najnowsze przepisy w Stanach Zjednoczonych (lipiec 2010 r.) Wymagają od firm ujawnienia, czy używają produktów z tantalem uzyskanych z Demokratycznej Republiki Konga (DRK). W rezultacie ceny gwałtownie wzrosły, ponieważ inni producenci powoli wracają do Internetu. Jedna kopalnia w Australii stanowi 1/3 potencjalnej światowej produkcji globalnej.

(Uwaga: pionowa skala wykresu nie zaczyna się od zera, daje nieco zniekształcony wygląd. Pełny rozmiar wykresu jest tutaj )

Ponieważ kondensatory elektrolityczne tantalowe mogą być znacznie mniejsze niż aluminiowe kondensatory elektrolityczne o tej samej pojemności i mają wyższe wartości napięcia, są stosowane w prawie wszystkich telefonach komórkowych i innych przenośnych urządzeniach elektronicznych.

Kilka lat temu zaprojektowałem w „tantach” 1000 µF produkt, a ostatnio skontaktował się z nami producent kontraktu, mówiąc, że czas realizacji części wydłużył się do 16 tygodni i zapytał, czy mogę znaleźć zamiennik. W wyniku tego ćwiczenia w moim najnowszym projekcie wróciłem do montowanych powierzchniowo aluminiowych kondensatorów elektrolitycznych, mimo znacznej kary przestrzennej.

Zobacz, co naprawdę znajduje się w układzie scalonym, w tym jego opakowanie. Sam krzem jest obfity (drogi do dopracowania do wysokiej czystości i dobrej struktury krystalicznej, ale mimo to obfity), ale co z elementami domieszkującymi stosowanymi do wytwarzania półprzewodników P i N? Co z diodami LED? Zazwyczaj nie są one krzemowe i często zawierają na przykład gal. Co ze specjalną ceramiką stosowaną w półprzewodnikach, które muszą mieć właściwości termiczne ściśle dopasowane do krzemu? Zobacz, z czego wykonana jest różnorodna ceramika kondensatorów ceramicznych.

Elektronika zawiera znacznie więcej materiałów niż miedź i krzem.

Mówią o niekoniecznie chipach krzemowych. Tantal przechodzi w kondensatory, cyna w lutowie, lit w baterie. Neodym zamienia się w super mocne małe magnesy, które przytrzymują pokrywę na iPadzie lub adapter ścienny na MacBooku.

Te różne komponenty w wielu przypadkach były już wykonane z większej liczby elementów w przeszłości, ale przełomowe odkrycia w dziedzinie materiałoznawstwa pozwoliły na znaczne ulepszenia, które w niektórych (stosunkowo drogich) produktach były i są warte dodatkowych kosztów materiałowych. Porównaj „cegiełkowy” telefon Motorola z lat 80. z iPhone'em, a nie tylko chipy uległy znacznej poprawie. Magnesy mogą być wykonane z żelaza, baterie mogą być wykonane z ołowiu, kondensatory mogą być wykonane z aluminium. Po prostu te urządzenia są znacznie większe, cięższe lub w inny sposób gorsze niż ich bardziej nowoczesne odpowiedniki.

Ostatnio zadaje się pytanie, czy są one warte kosztu ludzkiego, życia straconego przez wojnę i niewolnictwo wokół kongijskich kopalń, które wydobywają tantal, cynę i wolfram. Kolejne pytanie dotyczy tego, co się stanie, gdy Chiny, które zaopatrują się w większość światowych dostaw pierwiastków ziem rzadkich, takich jak neodym, ograniczają eksport, aby napędzać własne zdolności produkcyjne. (Odpowiedź: Molycorp ponownie otwiera starą kopalnię w Kalifornii.)

Jest to porównywalny argument, czy prowadzenie samochodu napędzanego olejem jest niemoralne, gdy ludzie toczą wojny o ropę. Problem nie polega na tym, że ropa jest dziś rzadka, ale że jej skupiona dystrybucja na całej planecie sprawia, że ​​koncentracja bogactwa poprzez monopolizowanie produkcji jest łatwiejsza niż w przypadku bardziej równomiernego podziału. Oczywiście możemy sobie wyobrazić wysychanie zapasów w ciągu kilku dziesięcioleci, ale to o wiele dalej niż w ciągu 5-15 lat większość ludzi zatrzyma swój następny samochód. Możesz zasilać samochód opalanym węglem silnikiem parowym lub elektrownią opalaną węglem, która ładuje akumulatory, lub panele słoneczne ładujące akumulatory, ale benzyna ma obecnie najlepszą kombinację cech i ceny, o ile najbardziej płacący klienci są zaniepokojony. Dopiero okaże się, czy większość ludzkości zrezygnuje z benzyny w samochodach elektrycznych, zanim kosztują mniej.

Niekoniecznie jest tak, że sytuacja nieuchronnie poprawi się. Baterie mogą być wykonane z innych pierwiastków o większej wielkości, takich jak żelazo i sód, ale baterie te mogą nigdy nie mieć energii na wagę baterii litowej. Możliwe, że za kilka stuleci, po wydobyciu ropy naftowej, węgla, litu itp., Ludzie będą jeździć samochodami o znacznie mniejszym zasięgu niż obecnie, ale ładują się wystarczająco szybko, aby nie miało to większego znaczenia. Z drugiej strony może pojawić się coś znacznie lepszego, a kto wie, może do tego czasu wszyscy będziemy prowadzić wideokonferencje.

Są naukowcy pracujący nad tymi problemami, ale nauka o materiałach jest dziedziną powolną. Modelowanie makroskopowych właściwości nowego materiału w komputerze jest bardzo trudne, jeśli nie niemożliwe. Postęp zasadniczo polega na wykształconej próbie i błędzie. Nawet gdy nowy materiał jest dość dobrze zrozumiany, model teoretyczny i testy eksperymentalne mogą nie być idealnie dopasowane. Próba stworzenia nowych materiałów z listy życzeń o pożądanych właściwościach może potrwać dekady.

Cóż, jest mnóstwo zamieszania wokół tego wszystkiego. W rzeczywistości potrzebujesz bardzo mało materiałów ziem rzadkich w nowoczesnej elektronice użytkowej (mikro). Niektóre urządzenia elektroniczne rzeczywiście w dużej mierze od nich zależą (jak niektóre lasery i diody LED), ale nie zużywają znacznej ilości światowej produkcji. Ponadto godne uwagi jest zastosowanie magnesów trwałych.

Główni użytkownicy metali ziem rzadkich to specjalne rodzaje stali i innych materiałów stosowanych w obszarach kosmicznych / wojskowych / nuklearnych (i oczywiście nikt nie zdradziłby, ile z nich jest zużywanych w poszczególnych krajach).

Zobacz także: http://en.wikipedia.org/wiki/Rare_earth_element#List

Dlaczego metale ziem rzadkich są ważne dla elektroniki?

Ponieważ ta sama właściwość o nazwie „rozmiar jonowy” sprawia, że ​​metale te jednocześnie:

• nadzwyczajne pod względem elektrycznym
• i geologicznie rzadkie (co dało im nazwę)

Pewna specjalna wartość stosunku wielkości jonowej do masy atomowej dla każdego z tych pierwiastków utrudni ich koncentrację w przyrodzie i rozdzielenie chemiczne. Ten sam stosunek powoduje, że właściwości takie jak ferroelektryczność, ferromagnetyzm, wysoka stała dielektryczna tlenków itp. Są lepsze od innych mniej rzadkich pierwiastków o różnej wielkości jonowej.

Wysoki koszt rzadkich pierwiastków ma naturalną przyczynę. Uwaga dodatkowa: Najrzadsze i najdroższe elementy w elektronice to „unobtanium” i „unaffordium”.