Warum sind Seltenerdmetalle für die Elektronik wichtig?

Ich habe in den Medien viel darüber gehört, wie wichtig Seltenerdmetalle sind (aus wirtschaftlicher Sicht begrenzt China ihren Export), aber was einige von ihnen tatsächlich tun, macht sie so wichtig, dass man mit mehr nichts anfangen kann gemeinsame elemente wie silizium, gold, kupfer, aluminium, germanium usw? Es scheint, dass alle Bausteine ​​eines digitalen Computers wie Transistoren ohne sie hergestellt werden können. Warum also so viel Aufhebens?

Ich habe ein bisschen nach Artikeln gesucht, aber alle sind für die breite Öffentlichkeit geschrieben und geben nur an, für welche Geräte seltene Erden erforderlich sind und nicht für welche Komponenten.

Obwohl Tantal nicht zu den Seltenen Erden gehört - es ist eines der "Übergangsmetalle", wie Gold -, passt die Knappheit von Tantal (1 oder 2 ppm der Erdkruste) und die primäre Verwendung in der Elektronik (Tantalkondensatoren) zum Umfang dieser Frage.

Nach den jüngsten Gesetzen in den USA (Juli 2010) müssen Unternehmen angeben, ob sie Produkte mit Tantal aus der Demokratischen Republik Kongo (DRC) verwenden. Infolgedessen sind die Preise stark gestiegen, da andere Hersteller langsam wieder online gehen. Eine Mine in Australien repräsentiert 1/3 der potenziellen weltweiten Produktion.

(Hinweis: Die vertikale Skalierung des Diagramms beginnt nicht bei Null, sondern sieht leicht verzerrt aus. Das Diagramm in voller Größe ist hier. )

Da Elektrolyt-Tantalkondensatoren viel kleiner als Aluminium-Elektrolytkondensatoren mit gleicher Kapazität sein können und höhere Spannungswerte aufweisen, werden sie in fast allen Mobiltelefonen und in anderen tragbaren elektronischen Geräten verwendet.

Ich habe vor ein paar Jahren ein Produkt mit 1000 µF "Tants" entworfen, und vor kurzem hat der Auftragshersteller uns kontaktiert und gesagt, dass die Vorlaufzeit für die Teile auf 16 Wochen verlängert wurde, und gefragt, ob ich einen Ersatz finden könnte. Als Ergebnis dieser Übung habe ich mich in meinem neuesten Design wieder für oberflächenmontierte Aluminium-Elektrolytkondensatoren entschieden, obwohl es einen erheblichen Platzverlust gab.

Sehen Sie sich an, was wirklich in einem integrierten Schaltkreis enthalten ist, einschließlich seiner Verpackung. Silizium selbst ist reichlich vorhanden (teuer in der Aufbereitung zu hoher Reinheit und guter Kristallstruktur, aber dennoch reichlich vorhanden), aber was ist mit den Dotierungselementen, die zur Herstellung von P- und N-Halbleitern verwendet werden? Was ist mit LEDs? Diese sind in der Regel kein Silizium und enthalten beispielsweise häufig Gallium. Was ist mit speziellen Keramiken, die in Halbleitern verwendet werden, die thermische Eigenschaften aufweisen müssen, die eng an Silizium angepasst sind? Schauen Sie sich an, woraus die vielfältige Keramik von Keramikkondensatoren besteht.

Elektronik hat viel mehr Material als Kupfer und Silizium.

Es sind nicht unbedingt die Siliziumchips, über die sie sprechen. Tantal geht in Kondensatoren über, Zinn in Lötzinn, Lithium in Batterien. Neodym steckt in superstarken kleinen Magneten, die das Cover auf Ihrem iPad oder den Wandadapter auf Ihrem MacBook halten.

Diese verschiedenen Komponenten wurden in der Vergangenheit in vielen Fällen bereits aus häufigeren Bestandteilen hergestellt, aber materialwissenschaftliche Durchbrüche ermöglichten große Verbesserungen, die bei einigen (relativ teuren) Produkten die zusätzlichen Materialkosten wert waren und sind. Vergleichen Sie ein Motorola "Brick" -Handy aus den 1980er Jahren mit einem iPhone, und nicht nur die Chips haben sich dramatisch verbessert. Magnete können aus Eisen hergestellt werden, Batterien können aus Blei hergestellt werden, Kondensatoren können aus Aluminium hergestellt werden. Es ist nur so, dass diese Geräte dramatisch größer, schwerer oder auf andere Weise schlechter sind als ihre moderneren Gegenstücke.

In letzter Zeit wurde in Frage gestellt, ob diese die menschlichen Kosten, die durch Krieg und Sklaverei in den kongolesischen Minen, die Tantal, Zinn und Wolfram liefern, verursachten Verluste wert sind. Eine andere Frage ist, was passieren wird, wenn China, das den größten Teil des weltweiten Angebots an Seltenerdelementen wie Neodym bezieht, seine Exporte drosselt, um seine eigenen Produktionskapazitäten zu befeuern. (Antwort: Molycorp eröffnet eine alte Mine in Kalifornien.)

Es ist ein vergleichbares Argument dafür, ob das Fahren eines mit Öl betriebenen Autos unmoralisch ist, wenn Menschen Kriege um Öl führen. Das Problem ist nicht so sehr, dass Erdöl heutzutage selten ist, sondern dass seine gruppierte Verteilung über den Planeten die Konzentration von Wohlstand durch Monopolisierung der Produktion einfacher macht, als wenn es gleichmäßiger verteilt wäre. Natürlich können wir uns vorstellen, dass die Vorräte innerhalb weniger Jahrzehnte versiegen, aber das ist viel weiter weg als in den 5 bis 15 Jahren, in denen die meisten Menschen ihr nächstes Auto behalten werden. Sie können ein Auto mit einer mit Kohle betriebenen Dampfmaschine oder einer mit Kohle betriebenen elektrischen Anlage zum Laden von Batterien oder mit Solarmodulen zum Laden von Batterien antreiben, aber Benzin bietet im Moment die beste Mischung aus Funktionen und Preis, soweit es die meisten zahlenden Kunden sind besorgt. Es bleibt abzuwarten, ob der größte Teil der Menschheit auf Benzin für Elektroautos verzichtet, bevor diese weniger kosten.

Es ist nicht unbedingt so, dass die Dinge unaufhaltsam besser werden. Batterien können aus anderen Elementen hergestellt werden, die um Größenordnungen zahlreicher sind, wie Eisen und Natrium, aber diese Batterien haben möglicherweise nie die Energie pro Gewicht einer Lithiumbatterie. Es ist möglich, dass in ein paar Jahrhunderten, nachdem Öl, Kohle, Lithium usw. abgebaut sind, Menschen Autos fahren, die eine viel geringere Reichweite als heute haben, sich aber schnell genug aufladen, so dass es nicht allzu wichtig ist. Auf der anderen Seite könnte etwas Besseres kommen, oder wer weiß, vielleicht werden wir bis dahin alle Videokonferenzen abhalten.

Es gibt Wissenschaftler, die an diesen Problemen arbeiten, aber die Materialwissenschaft ist ein langsames Feld. Es ist sehr schwierig, wenn nicht unmöglich, die makroskopischen Eigenschaften eines neuen Materials in einem Computer zu modellieren. Fortschritt entsteht im Wesentlichen durch gezieltes Ausprobieren. Selbst wenn ein neues Material erst recht gut verstanden wurde, sind das theoretische Modell und die experimentellen Tests möglicherweise nicht perfekt aufeinander abgestimmt. Der Versuch, neue Materialien aus einer Wunschliste mit den gewünschten Eigenschaften herzustellen, kann Jahrzehnte dauern.

Nun, es gibt eine Menge Aufhebens um all dies. Tatsächlich benötigen Sie in der modernen Unterhaltungselektronik (Mikroelektronik) nur sehr sehr wenige Seltenerdmaterialien. Einige Elektronikgeräte sind in der Tat stark von ihnen abhängig (z. B. Laser und LEDs), verbrauchen jedoch kaum nennenswerte Mengen der Weltproduktion. Bemerkenswert ist auch die Verwendung für Permanentmagnete.

Hauptnutzer von Seltenen Erden sind spezielle Stahlsorten und andere Materialien, die im Weltraum / Militär / Nuklearbereich verwendet werden (und offensichtlich würde niemand verraten, wie viel dort pro Land verwendet wird).

Schauen Sie sich auch hier um: http://en.wikipedia.org/wiki/Rare_earth_element#List

Warum sind Seltenerdmetalle für die Elektronik wichtig?

Da dieselbe Eigenschaft mit dem Namen "Ionengröße" diese Metalle zu beiden macht:

• außergewöhnlich elektrisch klug
• und geologisch selten (was ihnen den Namen gab)

Ein besonderer Wert des Verhältnisses der Ionengröße zur Atommasse für jedes dieser Elemente macht es schwierig, sie in der Natur zu konzentrieren und chemisch zu trennen. Gleiches Verhältnis bewirkt, dass Eigenschaften wie Ferroelektrizität, Ferromagnetismus, hohe Dielektrizitätskonstante von Oxiden usw. anderen weniger seltenen Elementen mit unterschiedlicher Ionengröße überlegen sind.

Die hohen Kosten seltener Elemente haben eine natürliche Ursache. Randnotiz: Die seltensten und teuersten Elemente in der Elektronik sind "Unobtanium" und "Unaffordium".