Waarom deze cruciale zeldzame aarde onvervangbaar blijft

Volgens recente gegevens van het Britse onderzoeksbureau Argus Media is de prijs van zeldzame aardyttrium op de Europese markt op 26 februari 2026 gestegen van ongeveer 6perkilogramin begin 2025 naar 6perkilogramin begin 2025 naar 850 per kilogram – het hoogste niveau sinds vergelijkbare gegevens beschikbaar kwamen in 2012.

Een Japans bedrijf dat op yttrium gebaseerde grondstoffen gebruikt, merkte op: "Het is erg moeilijk om dit materiaal door alternatieven te vervangen, en tot nu toe is er geen duidelijke vermindering van de inkoopvolumes geweest." Uit andere gegevens blijkt dat ongeveer 65% van de yttriumhoudende materialen of yttriumoxideproducten die in de Verenigde Staten worden geïmporteerd, afkomstig zijn uit Japan.

Metallisch yttrium is een chemisch reactief zilverwit metaal dat voornamelijk wordt geproduceerd door yttriumfluoride te reduceren met metallisch calcium. Het heeft de neiging te oxideren in de lucht en verliest zijn metaalachtige glans. Onder omgevingsomstandigheden komt metallisch yttrium doorgaans voor in vormen als Y₂O₃, YCl3, YH3, Y(OH)3 en intermetaalverbindingen.

Onder de zeldzame aardelementen valt yttrium op door zijn brede scala aan toepassingen. Het kan worden gebruikt in lichtemitterende diodes (LED's) en medische laserapparatuur, als coatingmateriaal voor componenten van halfgeleiderproductieapparatuur en in defensietoepassingen als materiaal dat de hittebestendigheid van vliegtuigmotoren verbetert.

Yttrium wordt voornamelijk gedistribueerd in China, India, de Verenigde Staten, Brazilië en Australië. China bezit ongeveer 220.000 ton industriële yttriumoxidereserves, goed voor ongeveer 43% van het wereldtotaal – het grootste aandeel wereldwijd. Binnen China staat de provincie Jiangxi op de eerste plaats wat betreft yttriumoxidereserves vanwege de zeldzame aardmetalen met een hoog yttriumion-adsorptiegehalte.

Momenteel wordt zeldzame aarde-yttrium het meest gebruikt in kristalmaterialen, waaronder yttrium-aluminium-granaat (Y₃Al₅O₁₂, YAG), yttrium orthovanadaat (YVO₄) enkele kristallen en yttriumsilicaat (YSiO) kristallen. Hiervan is YAG – een synthetisch kleurloos transparant kristal met hoge hardheid, hoog smeltpunt en stabiele fysische en chemische eigenschappen – een van de meest gebruikte laserkristalmaterialen geworden. Onderzoekers doteren YAG doorgaans met zeldzame aardelementen zoals Nd, Yb en Ce om producten als neodymium-gedoteerde YAG en cerium-gedoteerde YAG te verkrijgen, waardoor hun toepassingsbereik wordt uitgebreid.

Naast laserkristalmaterialen blijft de belangrijkste toepassing van zeldzame aarde-yttrium in luminescerende materialen, met name fosforen. Op yttrium gebaseerde fosforen vertonen een sterk lichtabsorptievermogen en een hoge conversie-efficiëntie, waardoor ze geschikt zijn voor computermonitors, platte beeldschermen, driebands fluorescentielampen, LED's en röntgenversterkingsschermen. De huidige reguliere producten omvatten driekleurige fosforen voor verlichting, fosforen met lange persistentie en fosforen voor informatiedisplays.

Het hoge smeltpunt en de thermische stabiliteit van Y₂O₃ zorgen ervoor dat het uitstekende beschermende prestaties behoudt in plasma-etsomgevingen gedurende langere perioden, waardoor het een van de meest gebruikte materialen is voor plasma-etsbescherming. Het grootste voordeel van Y₂O₃ is de langzame reactiesnelheid in plasma's op fluorbasis, waardoor de stabiliteit van het coatingoppervlak behouden blijft - een eigenschap die het bijzonder veelbelovend maakt voor gebruik in 8-inch en grotere etsapparatuur. Bovendien is yttriumoxide een transparant keramisch materiaal in het zichtbare lichtbereik met een hoge lichttransmissie, waardoor het geschikt is voor gebruik als vensterglas in plasma-etsapparatuur.

YAG biedt niet alleen goede chemische stabiliteit en optische prestaties, maar biedt ook een hogere mechanische sterkte en eenvoudiger verwerkbaarheid vergeleken met Y₂O₃. Hoewel de plasma-etsweerstand van YAG iets lager is dan die van Y203, kan het worden gebruikt als observatievenstermateriaal voor etskamerapparatuur.

YF3 kan dienen als beschermende laag tijdens plasma-etsen op F-basis, waardoor verdere fluoridering van het materiaal wordt onderdrukt en wordt beschouwd als een mogelijk alternatief voor Y₂O3. Wanneer er geen voorspanning wordt aangelegd, domineren de chemische reacties tussen het coatingmateriaal en het fluorkoolstofplasma, wat leidt tot de vorming van fijne fluoridedeeltjes op het Y₂O3-coatingoppervlak. YF₃-coatings daarentegen behouden de integriteit en zuiverheid van het oppervlak.

YOF vertoont een hoge thermische en chemische stabiliteit en blijft bestand tegen ontleding, zelfs onder hoge temperaturen en sterk zure/alkalische omgevingen. Het wordt beschouwd als een veelbelovend plasmabestendig coatingmateriaal. Bovendien komt de thermische uitzettingscoëfficiënt van YOF nauw overeen met die van aluminium. YOF-coatings vervaardigd via thermisch spuiten zijn vrijwel scheurvrij en vormen zeer kristallijne, dichte structuren.

Yttriumoxide wordt veel gebruikt in biomedische toepassingen. Nanodeeltjes van yttriumoxide zijn bijvoorbeeld, vanwege hun uitstekende fysische en chemische eigenschappen, effectief gebleken als beschermende materialen en worden op grote schaal toegepast bij antibacteriële en kankerbehandelingen, leverbescherming, medicijnafgifte, biosensoren, bioimaging, fluorescentiebeeldvorming en andere medische gebieden.

Bovendien kunnen ⁹⁰Y microsferen met de bloedstroom naar levertumoren reizen, waardoor ze efficiënt worden vernietigd door middel van β-stralingsemissie. Met hoge stralingsenergie en nauwkeurige behandelingsmogelijkheden maken ze nauwkeurige aanvallen van binnenuit tegen tumoren mogelijk.

De lucht- en ruimtevaartindustrie heeft hoogwaardige lichtgewichtmaterialen nodig. Siliciumcarbide, met koolstofvezel versterkte koolstof en siliciumcarbidecomposieten voldoen aan deze eisen, maar ondergaan oxidatie onder bedrijfsomstandigheden bij hoge temperaturen. Eén oplossing is het aanbrengen van keramische beschermende coatings op het substraat. Onderzoekers hebben radiofrequentie magnetronreactief sputteren gebruikt om Al₂O₃-Y₂O₃-coatings op Al-Y-gecoate oppervlakken af ​​te zetten en bestudeerden het oxidatiegedrag van Al₂O₃-Y₂O₃/Al-Y composietcoatings bij verschillende temperaturen en duur. De resultaten toonden aan dat deze coatings uitstekende thermische schokbestendigheid vertonen.

De afgelopen jaren is zeldzame aard-yttrium op grote schaal gebruikt als additief in staal en non-ferrolegeringen binnen de metallurgische sector. Sporen van yttrium kunnen de inhoud, grootte en morfologie van de insluiting effectief wijzigen. De resulterende zeldzame-aardefasen verfijnen de korrelstructuur, onderdrukken elementaire segregatie, verbeteren de microstructurele uniformiteit en verhogen de dichtheid van legeringsoxidefilms. Deze effecten verbeteren de verschillende fysische en chemische eigenschappen van verschillende legeringen aanzienlijk, waaronder mechanische eigenschappen, magnetische eigenschappen, corrosieweerstand en elektrische geleidbaarheid, en voldoen daarmee aan de prestatie-eisen voor nieuwe materialen in de lucht- en ruimtevaart, defensie en andere gebieden.

Op zeldzame aarde-yttrium gebaseerde supergeleiders zijn geleidelijk een belangrijk onderdeel geworden van hoge-temperatuur-supergeleiders, wat uitgebreide onderzoeksaandacht trekt. Na jaren van ontwikkeling is YBCO een supergeleidend kernmateriaal geworden, hoewel de bereidingstechnologie ervan relatief onvolwassen blijft en verdere verbeteringen in processtabiliteit en prestaties nodig zijn voor commercialisering. Superhydriden van zeldzame aardmetalen vertonen onder hoge druk supergeleiding bij bijna kamertemperatuur, wat een nieuw tijdperk van onderzoek naar supergeleiding onder hoge druk inluidt. Yttriumsuperhydriden, met hun rijke stoichiometrieën en uitstekende supergeleidende eigenschappen, hebben aanzienlijke belangstelling gewekt in de supergeleidende onderzoeksgemeenschap.

In vaste-oxidebrandstofcellen wordt yttrium vaak gebruikt in poreuze anodematerialen zoals Ni-(Zr,Y)O₂-X, waardoor een energieomzettingsrendement van meer dan 60% wordt bereikt.

Y₂O₃ nanopoeder kan worden gebruikt in meerlaagse keramische condensatoren. Y₂O₃-gedoteerde op BaTiO₃ gebaseerde diëlektrica zijn geschikt voor meerlaagse keramische condensatoren met nikkelelektroden met een dikte van minder dan 2 μm.

Met Y₂O₃ nanodeeltjes gedoteerde ternaire vaste oplossingen van CeO₂-ZrO₂ vertonen uitstekende prestaties als zuurstofopslagkatalysatoren bij uitlaatkatalyse (zoals driewegkatalysatoren).

• Zhang Chi et al. Ontwikkeling en toepassingen van zeldzame aarde-yttrium, School of Materials Science and Engineering, Shenyang University of Technology, Materials Reports
• Wen Yaoru. Bereiding en karakterisering van zeldzame aarde-yttriumsolen en -oxidepoeders, Jiangxi Universiteit voor Wetenschap en Technologie, Masterproef
• Liu Zhili. Controleerbare bereiding en karakterisering van yttriumoxide-nanopoeders, Shanghai Polytechnic University, masterproef
• China Powder Network (bewerkt door Ping An)