Dlaczego metale ziem rzadkich są ważne dla elektroniki?

13

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.

manufacturing UtopiaLtd
źródło

4

Musisz przeczytać książkę lub wziąć udział w zajęciach z fizyki półprzewodników. Na tym tle odpowiedź jest oczywista, bez tego tła żadna odpowiedź nie będzie wystarczająca.

Mark

Na marginesie, w jaki sposób złoto i miedź znalazły się na liście „wspólnych elementów”? Znajdują się one na szczycie listy tego, co zabraknie w pierwszej kolejności.

Mark

Złoto jest rzadkie, ale nie jest jedną z rzadkich ziem, o których mowa, ponieważ można je znaleźć w większej liczbie miejsc, a nie tylko w Chinach.

UtopiaLtd,

2

@ Mark Czy ziemie rzadkie są powszechną domieszką w większości półprzewodników? Na liście tutaj: en.wikipedia.org/wiki/Rare_earth_element - wymienia lasery jako aplikacje, ale niewiele mówi o tranzystorach lub układach scalonych.

Bitrex,

@Mark - Twój pierwszy komentarz jest naprawdę jedną z najlepszych odpowiedzi na to pytanie. Być może nie w obecnej formie, ale w „Fizyka półprzewodników nakazuje stosowanie metali ziem rzadkich w następujących zastosowaniach: <krótka lista>”, jest to najlepsza odpowiedź na to pytanie. Nie znam jeszcze fizyki półprzewodników, więc nie mogę udzielić takiej odpowiedzi.

Kevin Vermeer

7

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.

Źródło: Reuters

(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.

tcrosley
źródło

Kiedyś dostałem podobne pytanie od zakupu, gdy czasy realizacji dla tantalu przekroczyły 42 tygodnie , a ceny gwałtownie wzrosły. Z podanych przez ciebie powodów (mniejszy rozmiar) użycie aluminium było prawie niemożliwe.

stevenvh

1

Niob był wcześniej używany jako substytut tantalu. Nie jest to również pierwszy przypadek ograniczenia podaży tantalu; Pamiętam to również w latach 90-tych, które doprowadziły do opracowania małych aluminiowych kondensatorów SMD, elektrolitycznych polimerów, kondensatorów niobowych i ceramiki wielowarstwowej o większej gęstości.

Mike DeSimone

@tcrosley - ma to powiadomić cię, że Federico zredagował twoją odpowiedź. Cofnij, jeśli ci się nie podoba. (

Wygląda na

@stevenvh, dzięki za powiadomienie. Federico odnosi się do wykresu, a link do pełnowymiarowego jest dobry dla tych, którzy mają problemy z wyświetlaniem mniejszego, który osadziłem. Więc zostawię to.

tcrosley,

Tak więc można faktycznie się bez nich obejść, ale kosztem przestrzeni, wagi, temperatury lub efektywności energetycznej, w zależności od warunków użytkowania wymienianego elementu?

UtopiaLtd,

3

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.

Olin Lathrop
źródło

1

Wiem, że w grę wchodzi znacznie więcej elementów, ale myślę, że moje pytanie brzmi, czy są one naprawdę wymagane, czy też istnieją inne realne alternatywy, które nie są rzadkimi ziemiami?

UtopiaLtd,

@utopialtd: Gdyby istniały lepsze alternatywy, nie sądzisz, że zostałyby wykorzystane? Materiały te są wykorzystywane, ponieważ po wszystkich kompromisach są najlepszą odpowiedzią. Niektóre mogą mieć zamienniki, ale prawdopodobnie nie działają tak dobrze z obecną technologią, wymagają kosztownego przezbrojenia itp.

Olin Lathrop,

„Sam krzem jest obfity”. „Obfite” to mało powiedziane. Zwykły piasek zawiera około 1/3 krzemu.

Federico Russo,

Domieszki P i N dla krzemu są nudne Bor / Arsen / Fosfor. Gal jest przeznaczony na diody LED i takie tam.

BarsMonster,

1

@Olin: „Te materiały są używane, ponieważ po wszystkich kompromisach są najlepszą odpowiedzią”. Ale jeśli stają się droższe, kompromisy się zmieniają.

endolith,

3

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.

Matt B.
źródło

3

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).