Por que os metais de terras raras são importantes para a eletrônica?

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Eu tenho ouvido muito na mídia sobre a importância dos metais de terras raras (do ponto de vista econômico da China limitando suas exportações), mas o que alguns deles realmente fazem isso os torna tão essenciais que não podem ser feitos com mais elementos comuns como silício, ouro, cobre, alumínio, germânio, etc? Parece que todos os componentes de um computador digital, como transistores, podem ser fabricados sem eles, então por que todo esse barulho?

Eu procurei um pouco por artigos, mas todos eles foram escritos para o público em geral e apenas cito quais dispositivos requerem terras raras em vez de componentes reais.

manufacturing

— UtopiaLtd
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Você precisa ler um livro ou fazer uma aula de física de semicondutores. Com esse pano de fundo, a resposta é óbvia, sem esse pano de fundo nenhuma resposta será suficiente.

— Mark

Nota lateral, como o ouro e o cobre entraram na lista de "elementos comuns"? Eles estão no topo da lista do que acabaremos primeiro.

— Mark

O ouro é raro, mas não é uma das terras raras mencionadas, pois pode ser encontrado em uma variedade maior de locais e não apenas na China.

— UtopiaLtd

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@ Mark As terras raras são um dopante comum na maioria dos semicondutores? Na lista aqui: en.wikipedia.org/wiki/Rare_earth_element - lista os lasers como um aplicativo, mas não fala muito sobre transistores ou CIs.

— Bitrex

@ Mark - Seu primeiro comentário é realmente uma das melhores respostas para esta pergunta. Talvez não em sua forma atual, mas em uma "física de semicondutores determina que metais de terras raras sejam usados nas seguintes aplicações: <lista breve>", é a melhor resposta para essa pergunta. Ainda não conheço física de semicondutores, então não posso fornecer essa resposta.

— Kevin Vermeer

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Embora o tântalo não seja uma das terras raras - é um dos "metais de transição", como o ouro - a escassez de tântalo (1 ou 2 ppm da crosta terrestre) e o uso primário em eletrônicos (capacitores de tântalo) se encaixa com a âmbito desta questão.

A legislação recente nos EUA (julho de 2010) exige que as empresas divulguem se estão usando produtos com tântalo obtidos da República Democrática do Congo (RDC). Como resultado, os preços subiram acentuadamente à medida que outros produtores voltam a funcionar lentamente. Uma mina na Austrália representa 1/3 da produção mundial potencial em potencial.

Source: Reuters

(Nota: a escala vertical do gráfico não começa em zero, dá uma aparência ligeiramente distorcida. O gráfico em tamanho real está aqui )

Como os capacitores eletrolíticos de tântalo podem ser muito menores que os capacitores eletrolíticos de alumínio da mesma capacidade e têm classificações de voltagem mais altas, eles são usados em quase todos os telefones celulares e em outros equipamentos eletrônicos portáteis.

Projetei algumas "1000" tentativas de 1000 µF em um produto há alguns anos e, recentemente, o fabricante contratado nos contatou dizendo que o prazo de entrega das peças havia se estendido por 16 semanas e perguntou se eu poderia encontrar um substituto. Como resultado deste exercício, em meu projeto mais recente, voltei aos capacitores eletrolíticos de alumínio para montagem em superfície, mesmo que houvesse uma penalidade de espaço significativa.

— tcrosley
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Certa vez, recebi uma pergunta semelhante ao comprar quando os prazos de entrega do tântalo foram além de 42 semanas e os preços aumentaram bastante. Pelas razões mencionadas (tamanho menor), era quase impossível usar alumínio.

— Stevenvh

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O nióbio já foi utilizado como substituto do tântalo. Também não é a primeira vez que o suprimento de tântalo é restringido; Lembro-me disso também nos anos 90, que levou ao desenvolvimento de pequenos capacitores de alumínio SMD, eletrolíticos de polímeros, capacitores de nióbio e cerâmica multicamada de maior densidade.

— Mike DeSimone

@tcrosley - é para notificá-lo de que Federico editou sua resposta. Reversão se você não gostar. (Parece não haver uma notificação automática de edições)

— stevenvh

@stevenvh, obrigado pela notificação. Federico faz uma observação válida sobre o gráfico, e o link para o tamanho normal é bom para aqueles que têm problemas para visualizar o menor que eu integrei. Então eu vou deixar.

— tcrosley

Então, pode-se, de fato, ficar sem eles, mas ao custo de espaço, peso, temperatura ou eficiência energética, dependendo das circunstâncias de uso do elemento que está sendo substituído?

— UtopiaLtd

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Veja o que realmente está em um circuito integrado, incluindo sua embalagem. O silício em si é abundante (caro refinar a alta pureza e boa estrutura cristalina, mas ainda assim abundante), mas e os elementos de dopagem usados para fazer semicondutores P e N? E os LEDs? Geralmente esses não são silício e geralmente contêm gálio, por exemplo. E as cerâmicas especiais usadas em semicondutores que precisam ter propriedades térmicas próximas do silício? Dê uma olhada no que a cerâmica varosa dos capacitores de cerâmica é feita.

Há muito mais material na eletrônica do que cobre e silício.

— Olin Lathrop
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Estou ciente de que há muito mais elementos envolvidos, mas acho que minha pergunta é se eles são realmente necessários ou se existem outras alternativas viáveis que não são terras raras.

— UtopiaLtd

@utopialtd: Se houvesse alternativas melhores, você não acha que elas seriam usadas? Esse material é usado porque, depois de todas as compensações, é a melhor resposta. Alguns podem ter substitutos, mas eles provavelmente não funcionam bem com a tecnologia atual, exigem retooling caro, etc.

— Olin Lathrop

"O próprio silicone é abundante". "Abundante" é um eufemismo. A areia comum contém cerca de 1/3 de silício.

— Federico Russo

Os dopantes da P&N para o silício são boro / arsênico / fósforo chatos. O gálio é para LEDs e outras coisas.

— BarsMonster

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@Olin: "Este material é usado porque, depois de todas as compensações, é a melhor resposta." Mas se eles estão ficando mais caros, as trocas mudam.

— Endolith

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Não são necessariamente os chips de silício que eles estão falando. O tântalo entra nos capacitores, o estanho na solda, o lítio nas baterias. O neodímio é aplicado em pequenos ímãs super fortes que prendem a tampa no iPad ou o adaptador de parede no MacBook.

Esses vários componentes já foram feitos em muitos casos com elementos mais abundantes no passado, mas os avanços da ciência dos materiais permitiram grandes melhorias que em alguns produtos (relativamente caros) valiam e valem o custo extra do material. Compare um celular "tijolo" da Motorola da década de 1980 com um iPhone e não são apenas os chips que melhoram drasticamente. Ímãs podem ser feitos de ferro, baterias podem ser feitas de chumbo, capacitores podem ser feitos de alumínio. É que esses dispositivos são dramaticamente maiores, mais pesados ou, de alguma outra forma, piores do que seus equivalentes mais modernos.

Ultimamente, tem sido questionado se vale a pena o custo humano, as vidas perdidas pela guerra e pela escravidão nas minas congolesas que fornecem tântalo, estanho e tungstênio. Outra questão é o que acontecerá quando a China, que fornece a maior parte do suprimento mundial de elementos de terras raras, como o neodímio, reduzir as exportações para alimentar sua própria capacidade de fabricação. (Resposta: Molycorp está reabrindo uma mina antiga na Califórnia.)

É um argumento comparável para saber se dirigir um carro movido a petróleo é imoral quando as pessoas estão travando guerras por petróleo. O problema não é tanto que o petróleo é raro hoje em dia, que sua distribuição agrupada no planeta facilita a concentração da riqueza, monopolizando a produção mais do que se fosse distribuída de maneira mais uniforme. É claro que podemos imaginar suprimentos secando dentro de algumas décadas, mas isso é um pouco mais longe do que os 5-15 anos em que a maioria das pessoas manterá seu próximo carro. Você pode alimentar um carro com um motor a vapor movido a carvão ou uma usina elétrica movida a carvão que carrega baterias ou painéis solares que carregam baterias, mas a gasolina tem a melhor combinação de recursos e preços no momento, na medida em que a maioria dos clientes pagantes está. em causa. Resta ver se a maior parte da humanidade abandonará a gasolina dos carros elétricos antes que eles custem menos.

Não é necessariamente o caso em que as coisas vão melhorar inexoravelmente. As baterias podem ser fabricadas com outros elementos que são ordens de magnitude mais abundantes, como ferro e sódio, mas essas baterias podem nem sempre ter a energia por peso de uma bateria de lítio. É possível que, em alguns séculos, depois que o petróleo, o carvão, o lítio etc. sejam extraídos, as pessoas dirijam carros com muito menos alcance do que hoje, mas que recarreguem rápido o suficiente para que não importe muito. Por outro lado, algo muito melhor pode surgir, ou quem sabe, talvez todos nós já estaremos videoconferindo até lá.

Existem cientistas trabalhando nesses problemas, mas a ciência dos materiais é um campo lento. É muito difícil, senão impossível, modelar as propriedades macroscópicas de um novo material em um computador. O progresso vem essencialmente através de tentativa e erro educados. Mesmo quando um novo material é bem compreendido, o modelo teórico e os testes experimentais podem não estar perfeitamente alinhados. Tentar inventar novos materiais a partir de uma lista de desejos das propriedades desejadas pode levar décadas.

— Matt B.
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Bem, há muito barulho comercial em torno de tudo isso. De fato, você precisa de pouquíssimos materiais de terras raras nos (micro) eletrônicos de consumo modernos. Alguns eletrônicos realmente dependem muito deles (como alguns tempos de lasers e LEDs), mas dificilmente consomem uma quantidade significativa da produção mundial. Além disso, o uso notável é para ímãs permanentes.

Os principais usuários de terras raras são tipos especiais de aço e outros materiais usados em áreas espaciais / militares / nucleares (e, obviamente, ninguém revelaria quanto é usado por país).