Тулий ТуМ-1

Тулий (символ Tm, атомный номер 69) — редкоземельный металл из группы лантаноидов. По распространённости в земной коре занимает последнее место среди стабильных лантаноидов: содержание составляет около 2,7·10⁻⁵ % по массе. Несмотря на малое природное содержание, тулий производится промышленно и применяется в узкоспециализированных высокотехнологичных областях.

Компактный металл серебристо-белого цвета, хорошо обрабатывается резанием и давлением. При хранении на открытом воздухе поверхность постепенно тускнеет вследствие образования оксида Tm₂O₃.

Физические и механические свойства тулия

Тулий — относительно мягкий металл: разрезается ножом. Кристаллическая структура — гексагональная плотноупакованная (β-Tm, устойчивая модификация), параметры решётки a = 0,35375 нм, c = 0,55546 нм.

Свойство	Значение
Атомная масса	168,93421
Плотность	9,32 г/см³
Температура плавления	1545 °C
Температура кипения	~1950 °C
Модуль Юнга	74 ГПа
Твёрдость по Виккерсу	520 МПа
Твёрдость по Бринеллю	471 МПа
Твёрдость по Моосу	2–3
Предел прочности при растяжении	~60 МПа
Теплопроводность (25 °C)	16,9 Вт/(м·К)
Удельное электрическое сопротивление (25 °C)	~67–79 мкОм·см
КЛТР (комнатная температура)	13,3 мкм/(м·К)
Удельная теплоёмкость (25 °C)	160 Дж/(кг·К)

Магнитные свойства

Тулий демонстрирует температурно-зависимое магнитное поведение: ниже 32 К — ферромагнитен, в диапазоне 32–56 К — антиферромагнитен, выше 56 К — парамагнитен. При рабочих температурах (выше −217 °C) металл парамагнитен.

Химическая стойкость

Компактный тулий устойчив на воздухе при комнатной температуре; порошок и тонкие изделия (фольга, стружка) пирофорны — требуют хранения в инертной атмосфере или герметичной упаковке. С галогенами реагирует при нагревании, образуя тригалогениды. В разбавленных минеральных кислотах растворяется с выделением водорода и образованием солей Tm(III). Прокаливание солей тулия (нитратов, оксалатов, сульфатов) на воздухе при 800–900 °C даёт оксид Tm₂O₃.

Марки и химический состав тулия металлического

Металлический тулий выпускается трёх марок по ТУ 48-4-213-72. Нормируются содержание лантана как наиболее вероятной примеси разделения и суммарное содержание ближайших тяжёлых лантаноидов — эрбия, иттербия, лютеция.

Марка	La, не более	Er + Yb + Lu, не более
ТуМ-1	0,03 %	0,10 %
ТуМ-2	0,05 %	0,20 %
ТуМ-3	0,08 %	0,50 %

Регламентирующий документ: ТУ 48-4-213-72 «Тулий. Технические условия».

Производство металлического тулия

Исходным сырьём служат ионно-адсорбционные глины (преимущественно южный Китай), где тулий концентрируется совместно с иттербием и лютецием. Разделение РЗЭ проводят ионообменной хроматографией или экстракционными методами с комплексонами; на выходе получают оксид Tm₂O₃ или трифторид TmF₃.

Металлический тулий получают кальциетермическим восстановлением трифторида:

2 TmF₃ + 3 Ca → 3 CaF₂ + 2 Tm

Реакцию ведут в герметичном контейнере; продукты разделяют механически. В качестве альтернативы применяют восстановление оксида Tm₂O₃ металлическим лантаном. Полученный слиток упаковывают в плотный полиэтиленовый пакет, который герметично заваривают.

Области применения тулия

Твердотельные лазеры

Основная современная область применения. Ионы Tm³⁺ используются как активаторы лазерных матриц на основе иттрий-алюминиевого граната (ИАГ). Одноэлементный Tm:YAG генерирует излучение на длине волны 2010 нм; тройной Ho:Cr:Tm:YAG — на 2080 нм. Оба типа относятся к ближнему ИК-диапазону, эффективно поглощаемому тканями и водой, что определяет их применение в хирургии (офтальмология, урология, ЛОР) и военной технике. Пары металлического тулия также используются для накачки лазеров с перестраиваемой длиной волны.

Переносные рентгеновские установки и дефектоскопы

Радиоактивный изотоп ¹⁷⁰Tm (период полураспада 128,6 суток) получают облучением природного тулия нейтронами в ядерном реакторе. Источник обеспечивает несколько линий излучения в диапазоне 7,4–84 кэВ, что делает его пригодным для переносных рентгенодиагностических устройств и промышленных металлодефектоскопов. Ресурс источника — около одного года.

Ферриты и микроволновая техника

Совместно с другими РЗЭ тулий вводится в состав ферритовых керамик, применяемых в компонентах СВЧ-диапазона (циркуляторы, фазовращатели, фильтры). Тулий-содержащие железо-иттриевые гранаты используются как активные среды в устройствах управления микроволновым излучением.

Ядерная энергетика

Прорабатывается применение тулия в качестве топлива радиоизотопных источников энергии (РИЭ). На уровне промышленного применения эта область пока не реализована.

Термоэлектрические преобразователи

Монотеллурид тулия (TmTe) обладает высокой термо-ЭДС (~700 мкВ/К), что представляет интерес для производства термоэлектрических преобразователей. Это свойство принадлежит соединению TmTe, а не чистому металлу.

Формы поставки

Металлический тулий марок ТуМ-1, ТуМ-2, ТуМ-3 поставляется в следующих формах:

• слиток
• листы тулиевые
• круг тулиевый
• проволока
• лента тулиевая
• фольга

Каждый слиток упаковывается в герметично заваренный полиэтиленовый пакет. Хранение порошка и тонких изделий — в инертной атмосфере или в вакуумной упаковке; при нарушении герметичности требуется незамедлительная переупаковка. Поставка — по заявке, объём и форма согласуются с менеджером.

Смотрите также: Оксид тулия Tm₂O₃ — исходное соединение при синтезе лазерных материалов и активаторов люминофоров; Лютеций ЛюМ-1 — тяжёлый лантаноид, производимый аналогичными методами разделения РЗЭ.