Самарий СмМ-1

Металлический самарий — общая характеристика

Самарий (Sm) — редкоземельный металл из группы лантаноидов с атомным номером 62 и атомной массой 150,36. В свободном состоянии — серебристо-жёлтый металл, по внешнему виду напоминающий свинец, а по механическим свойствам — цинк. На воздухе самарий медленно окисляется, покрываясь тёмной плёнкой оксида Sm₂O₃, а со временем рассыпается в порошок жёлтого оттенка. При нагревании до 150 °C на воздухе самопроизвольно воспламеняется. Хранят металл в герметичной таре под слоем минерального масла или в атмосфере инертного газа (аргон).

Самарий является парамагнетиком. Электронная конфигурация — [Xe] 4f⁶ 6s². В соединениях проявляет степени окисления +2 и +3. Легко поддаётся механической обработке. При нагревании взаимодействует с галогенами, халькогенами, азотом и водородом.

Физические свойства самария

Параметр	Значение
Атомный номер	62
Атомная масса	150,36 а.е.м.
Плотность (α-Sm, 20 °C)	7,54 г/см³
Температура плавления	1072 °C
Температура кипения	1794 °C
Кристаллическая решётка (α-Sm, до 917 °C)	тригональная
Кристаллическая решётка (β-Sm, 917–1072 °C)	кубическая (тип α-Fe)
Теплопроводность (300 K)	13 Вт/(м·К)
Твёрдость по Бринеллю	450–600 МПа
Степени окисления	+2, +3

Самарий — третий по летучести лантаноид (после иттербия и европия). Сравнительно низкая температура кипения (1794 °C) облегчает выделение самария из смеси редкоземельных элементов методом вакуумной дистилляции.

Получение металлического самария

Основным промышленным сырьём для извлечения самария служат минералы монацит, бастнезит и лопарит. Концентрат, содержащий самарий и сопутствующие редкоземельные элементы, разделяют экстракцией или ионообменной сорбцией. Из полученных растворов осаждают карбонат или оксалат самария, которые прокаливают до оксида Sm₂O₃. Далее из оксида получают металлический самарий одним из описанных ниже методов.

Металлотермическое восстановление (лантанотермия)

Основной промышленный метод получения металлического самария — восстановление оксида Sm₂O₃ лантаном или мишметаллом в вакууме при температуре около 1600 °C. Процесс ведётся в танталовом тигле с охлаждаемым конденсатором. Образующийся самарий, обладая существенно более высоким давлением пара, чем лантан, возгоняется и конденсируется на холодных стенках. Получаемый металл имеет высокую чистоту — содержание примесей других редкоземельных элементов не превышает сотых долей процента.

В зависимости от температуры конденсации самарий осаждается в виде крупнокристаллической корки или порошкообразного конденсата. Промышленность выпускает самарий металлотермический (лантанотермический) трёх марок: СмМ-1, СмМ-2, СмМ-3 — с различными требованиями к содержанию примесей.

Карботермическое восстановление

Альтернативный метод — восстановление оксида самария углеродом при температуре около 1600 °C в вакууме. Смесь Sm₂O₃ с углеродом нагревают в графитовом тигле в вакуумной печи. На первой стадии образуется карбид самария, который при дальнейшем нагревании диссоциирует с возгонкой металла. Метод позволяет получать самарий карботермический высокой степени чистоты.

Электролитический метод

Самарий также получают электролизом расплавленной смеси хлорида самария (SmCl₃) с хлоридом натрия или хлоридом кальция. Метод применяется в зависимости от структуры производства и экономических условий.

Марки металлического самария

Металлический самарий выпускается трёх марок — СмМ-1, СмМ-2, СмМ-3 — различающихся содержанием примесей. Марка СмМ-1 имеет наиболее высокую чистоту. Чистота самария промышленных марок составляет от 99 % и выше. Металл поставляется в виде слитков, упакованных в двойные герметичные полиэтиленовые пакеты для защиты от окисления.

Применение самария

Постоянные магниты SmCo

Основная область потребления самария — производство постоянных магнитов на основе сплавов самарий-кобальт. Выпускаются два основных типа магнитных сплавов: SmCo₅ (первое поколение) и Sm₂Co₁₇ (второе поколение, легированное железом, медью и цирконием). Самарий-кобальтовые магниты уступают неодимовым (NdFeB) по абсолютной магнитной энергии при комнатной температуре, однако превосходят их по термической стабильности и коррозионной стойкости.

Параметр	SmCo5	Sm2Co17
Макс. энергетическое произведение (BH)max	128–200 кДж/м³	160–260 кДж/м³
Макс. рабочая температура	до 250 °C	до 350 °C (отдельные марки до 500 °C)
Коррозионная стойкость	высокая	высокая

Самарий-кобальтовые магниты востребованы в аэрокосмической технике, оборонной промышленности, СВЧ-технике, прецизионных электродвигателях, датчиках и генераторах — везде, где требуется стабильная работа при повышенных температурах или в агрессивных средах.

Атомная техника

Изотоп ¹⁴⁹Sm обладает высоким сечением захвата тепловых нейтронов, что позволяет использовать самарий и его оксид в стержнях-поглотителях ядерных реакторов. Оксид самария Sm₂O₃ также применяется как компонент нейтронозащитных материалов благодаря сочетанию высокого нейтронного поглощения и низкого вторичного гамма-излучения.

Люминофоры и лазеры

Самарий используется как активатор люминофоров (в том числе для дисплеев), а также для возбуждения лазерного излучения в жидких и твёрдых средах. Ионы Sm³⁺ обеспечивают характерное оранжево-красное свечение в составе люминесцентных материалов.

Термоэлектрические и тензочувствительные материалы

Моносульфид самария SmS — полупроводник с высокой тензочувствительностью: при давлении он переходит из полупроводникового состояния в металлическое. Это свойство используется в датчиках давления и тензорезисторах. Самарий также входит в состав термоэлектрических материалов для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую.

Огнеупорные материалы и специальные стёкла

Оксид самария Sm₂O₃ отличается высокой температурой плавления (около 2345 °C) и стойкостью к расплавам активных металлов, что позволяет применять его как огнеупорный материал. В стекольной промышленности оксид самария используется для повышения инфракрасного поглощения специальных стёкол и керамик.

Другие области применения

Самарий и его соединения применяются в качестве катализаторов (дегидратация и дегидрирование этанола, крекинг углеводородов), в производстве синтетических гранатов, в электродах стартёров тлеющего разряда. Радиоактивный изотоп ¹⁵³Sm используется в ядерной медицине для терапии онкологических заболеваний костей.

Формы поставки

Металлический самарий поставляется в виде слитков. Каждый слиток упаковывается в двойной заваренный полиэтиленовый пакет для предотвращения контакта с воздухом и влагой. Помимо слиткового самария доступны оксид самария Sm₂O₃, а также соединения самария различной чистоты для специальных применений. Среди сопутствующих редкоземельных металлов компания также предлагает металлический церий ЦеМ-1 и другие лантаноиды.