稀土磁性材料论文.doc

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1、稀 土 磁 性 材 料 研 究 现 状稀土磁性材料研究现状摘要：材料是社会技术进步的物质基础与先导。现代高技术的发展，更是紧密依赖与材料的发展。稀土元素因其独特的电、光、磁、热性能而被人们称为新材料的“宝库”，是国内外科学家，尤其是材料专家最关注的一组元素。目前，稀土磁性材料作为一组重要的稀土新材料，在国内外的研究已初具规模，这些新材料的应用不仅极大地改造和提升了传统产业，而且构成了当今世界先导型、知识型产业的核心竞争力。为此，加强稀土磁性材料的研发，大力扶持国内稀土产业将变得尤为重要。关键词：稀土、磁性材料、研究现状、发展趋势一、各种稀土磁性材料的简单论述1.1、稀土永磁材料稀土由于其独特的

2、4f电子层结构，可以在一些与3d元素化合物组合成的晶体结构中形成单轴磁各向异性，而具有十分优异的超常磁性能。表1列出了各类稀土永磁体与传统的铁氧体、铝镍钴永磁体的磁性能，显然稀土永磁体比传统永磁体具有高得多的磁性能。表1各类永磁体的磁性能永磁体最大磁能积（MGOe）备注铁氧体4.6铝镍钴11SmCo522Sm2(Co,Cu,Fe,Zr)1732Nd2Fe14B56理论值64Sm2(Fe,Co)17N346.51理论值62纳米晶双相稀土永磁体252理论值1202稀土永磁体中，钕铁硼的磁能积最高，但它的居里温度低，工作温度低，温度系数高。虽然现在已开发出工作温度达到200的钕铁硼，但在许多地方还是

3、不能替代工作温度高，温度系数低的钐钴永磁。现已开发出工作温度可达400、500的Sm2(Co,Cu,Fe,Er)17磁体3。10年前发明的稀土铁氮永磁材料，理论磁能积与钕铁硼接近，但居里温度高，温度系数小，耐腐蚀性能好，与粘结磁体中使用的快淬钕铁硼相比，具有很强的竞争力。其中的NdFe12Nx永磁是我国科学家杨应昌院士发明的4，其NdFe12Nx实验室样品的磁能积已达到22MGOe，超过MQ-2钕铁硼磁粉。纳米晶双相交换耦合稀土永磁材料是高磁晶各向异性的稀土永磁相与高饱和磁化强度的软磁相在纳米尺度内交换耦合而获得兼具二者优点的复合永磁材料，理论计算表明，纳米稀土复合永磁体的最大磁能积远远超过钕

4、铁硼，如表2所示。表2纳米双相稀土永磁体的理论磁能积永磁体最大磁能积（MGOe）Nd2Fe14B+-Fe100Sm2Fe17N3+-Fe110Sm2Fe17N3+Fe65Co35120目前，实验结果已证明交换耦合的存在，但实际达到的磁能积远低于理论值，如Nd7Fe89B4和Sm7Fe93N的磁能积分别达到20.6和25MGOe2，“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索”，最大磁能积超过100MGOe的稀土新一代磁体，乃是科技工作者的努力方向。科学技术是第一生产力。最近有报道，日本三荣化成用新技术研究开发出磁能积破记录的各类稀土永磁体5，如表3所示。表3三荣化成开发的稀土永磁体永磁体最大磁能积（MGO

5、e）稀土永磁体69.5烧结钕铁硼54.7注射成型钕铁硼粘结磁体17.9压制成型钕铁硼粘结磁体24.9稀土永磁在VCM（音圈电机），MRI（磁共振），永磁电机（汽车电机，步进电机，微型电机等），计算机主机及外设，办公自动化设备（复印机、传真机、手机、视频及程会议系统等），空调，冰箱，数码相机，音响，磁力器械，智能公路等各个领域有着广泛的应用。钕铁硼永磁自83年问世以来的18年中一直保持着年均增长30%以上的发展速度，这是值得关注和倾注力量的高技术产品。1.2、稀土超磁致伸缩材料一些稀土元素与Fe形成的金属间化合物REFe2具有比Fe及Fe,Ni,Co合金等传统材料大得多（高几十倍）的磁致伸缩系数

6、。但是，REFe2的磁晶各向异性能相当大，这使得达到材料的饱和磁化状态所需的外磁场相当高。为此把磁晶各向异性常数K值反向的两种REFe2材料组合起来，而形成赝二元化合物，如（Tb1-xDyx）Fe2, (Tb1-xHox)Fe2, (Sm1-xDyx)Fe2, (Sm1-xHox)Fe2, (Tb1-x-yDyxHoyFe2)等，K值大为降低，从而降低饱和磁化所需外场，给实用以方便。这些化合物中以Tb1-xDyxFe2(0.68x0.73)的值最大，常称为Terfenol-D。这些材料的应用特性正随应用的开发和发展而不断发展。稀土超磁致伸缩材料的电机械能转换功能远优于其他材料：它的应变值最高，

7、能量密度最大，响应快，精度高，可靠性高而运转能力大，可用于小型和微型大功率精密控制换能器，如大功率发射型声纳，大功率超声换能器，微型大功率低频电声设备，精密定位系统，传感器等，在军事，航天航空、海洋、地质、石油、化工、制造自动化、计算机、光通讯等领域已经获得应用。1.3、磁光材料一些稀土元素掺入光学玻璃化合物晶体、合金薄膜等光学材料之中，会显现出强磁光效应。磁光的应用涉猎激光，光电子学、光信息、激光陀螺、磁光盘等许多新技术领域。随着稀土磁光材料研究开发和应用向深度和广度发展，不断涌现出各种新的磁光器件。以YIG（钇铁石榴石）单晶片，或掺Bi的稀土石榴石（如（TmBi）3(FeGa)5O12）单

8、晶薄膜作为磁光介质可制成不同波长的磁光调制器。磁光调制器有广泛的应用，可用于红外检测器的斩波器、红外辐射高温计，高灵敏度偏振计，测距装置等各种光学检测和传输系统中。以稀土铋铁石榴石单晶薄膜为磁光介质可制成磁光传感器，用来检测磁场或电流的强弱及状态的变化，可用于高压网络的检测和监控，用于精密测量和遥控，遥测及自动控制系统。以YIG为磁光介质制成的磁光隔离器，能使正向传输的光无阻挡地能通过，而将来自激光源等的杂散光全部阻档。用稀土铁族金属如Tb-Fe-Co非晶态薄膜作磁光存储介质可制成可读写的磁光盘。磁光盘兼有磁存贮的可擦写，重现和光存贮的高密度，非接触，长寿命的优点。利用近场光学原理实施磁光纳米

9、存储6，7，存储密度大辐度提高，可达到100Gb/in2。1.4、庞磁阻（Colossal MagnetoResistance CMR）材料稀土锰化物REMnO3具有钙钛矿型晶体结构，一般为非导体，反铁磁性，稀土RE被二价碱土金属部份取代后形成的掺杂稀土锰氧化物RE1-xTxMnO3 (RE=La,Pr,Nd,Sm, T=Ca,Sr,Ba,Pb)在一定温度范围内外加磁场可使其反铁磁性（或顺磁性）转换为铁磁性，磁电阻发生巨大的变化，如La.67Ca.33MnO3在77K时加入4800KA/m磁场后，磁阻变化率达1.27105%8，Nd0.7Sr0.3MnO3在60K时加入6400KA/m磁场后，

10、磁阻变化率达106%9，由此它在磁器件，如磁头，磁传感器，磁开关，磁记录及磁电子学等方面，具有巨大的应用前景。用巨磁阻（GMR）材料制成的读出磁头，其磁盘的存储密度比MR读出磁头磁盘的存储密度提高了一个数量级，记录密度达到10Gb/in2以上。1.5、磁泡（Magnetic Bubble）存储材料磁泡是一种园柱形磁畴，在外磁场作用下可以移动。磁泡的有无表示“1”和“0”两种信息，用来制作外部信息存储器。磁泡存储器因无机械部件，完全固体化而可靠性高，且具有非易失性，抗辐照等特点。在军事，航天等有较多应用。稀土石榴石薄膜是制作磁泡存储器的良好材料，它用外延方法生长在钆镓石榴石（GGG）单晶衬底上。

11、稀土元素通常用Y3+, La3+, Gd3+, Sm3+, Eu3+, Er3+, Tm3+, Yb3+, Lu3+。利用磁泡畴壁中的布洛赫线可制成存储密度高（6Gb/in2）和运算速度快的布洛赫线存储器。1.6、磁热材料磁热效应是通过磁场使体系磁熵发生变化，从而在绝热条件产生温度变化，可用于致冷。在居里温度Tc材料的磁结构发生突变，磁热效应最显著，磁致冷的效率最高。钆镓石榴石（GGG）的居里温度在1K左右，因钆的磁矩大，因此居里温度下的磁熵变化大，致冷效率也高，可用作低温冷冻机的致冷工质。镝铝石榴石（DAG）的居里温度在20K左右，可作为20K附近温度的低温冷冻机工质。ErAl2, HoAl

12、2和(HoDy)Al2复合材料的致冷工作温度是1577K。(GdEr)Al2复合材料磁矩大，居里温度范围大，致冷工作温度可在15164K内连续变化。在GGG中添加钇，则可使居里温度更低，这样可得到更低的温度。一些稀土金属（如金属钆）或稀土金属间化合物（如Gd6Fe2310, Dy0.5Er0.5Al211）的居里温度是在室温附近。因此室温磁致冷机就成为可能。美国Lewis研究中心用稀土磁热材料在7特斯拉的磁场下，一次循环的温度变化为14度。97年美国Ames实验室使用Gd5Si2Ge2作为致冷工质，磁熵变化比Gd工质大1倍12。室温磁致冷，正一步步走向实用化。二、稀土永磁材料的应用进展近年来

13、,我国主要稀土永磁材料除了在传统应用上有所扩大之外 ,高新技术及其它新领域中取得了明显的进步 ,风力发电及磁悬浮列车等的应用有新的发展。2.1、烧结 NdFeB的应用目前我国已大力发展风力发电时期。使用烧结NdFeB 永磁制成发电机 ,具有如下优点: (1)可提高发电量20 %。(2)稳定性好寿命长 110 倍 ,成本低。(3)运行环境低 ,占地面积小 ,噪音小 ,因此 ,适合于海岛 ,山区和草原等场地的开发 ,其可能在轻风启动 ,微风发电的特点情况下 ,极易于进行产业化和规模化的作业。这个应用领域前景看好。2006 年我国已实行了 “风力发电” 产业化 ,全国有条件的 20 省市均在应用或计

14、划开发。据统计 ,在 2010 年后估计风力发电使用烧结 NdFeB 永磁 6 000 t 以上。悬浮高速列车新技术 ,已在我国进行实际的试运行 ,或正在规划建设中。据知 ,已有上海 ,北京和武汉等地准备实施这方面项目 ,它具有列车速度快 , 投资大 ,无噪音等特点 ,因此 ,作为一种新技术交通工具是具有发展潜力 ,也表明了一个国家交通工具的现代化水平。烧结 NdFeB 材料在此方面的用量也相当可观。2.2、粘结 NdFeB的应用近年来 ,我国粘结 NdFeB 磁品主要在消费类电子产品。在办公室自动化设备 ,电动和视听设备 ,仪器仪表 ,小型马达 ,家用电器和传感器等的应用较多。其中办公室自动

15、化和汽车马达是今后最大的用户。特别是在硬盘及软盘驱动器的多极主轴电机方面占有绝对优势 ,估计这方面需求量为 110 亿只以上 ,潜力巨大。据知 ,西方世界粘结 NdFeB 磁体的应用比例为:计算机 61 % ,电子 9 % ,办公化自动设设备 8 %,汽车 7 % ,器具 6 % ,其它 9 % ,我国的应用比例与西方世界有差别。据了解 ,近年日本粘结 Nd2FeB 用量 1 200t / a ,美国次之 ,中国占第三位。2.3、SmCo型永磁的应用目前这种磁品主要用于军工方面 ,但其用量发展不快。它适用于工作温度较高和恶劣场合中。如人造卫星的行波器和环行器等。三、四种稀土磁性材料前景看好专家

16、认为，下面四种稀土功能材料对稀土应用量较大、发展前景十分看好。一是稀土永磁材料。永磁体作为稀土材料最重要的应用领域之一，是支撑现代电子信息产业发展的基础材料，与人们的生活息息相关。据英国罗斯基尔信息服务公司估计，年平均每辆汽车使用台小型永磁马达，预计到年将增加到台，未来年内永磁体在汽车工业中的消费量可能会翻一番。我国对稀土永磁体的需求增长率持续在左右。据全国稀土永磁材料协作网预测，“十五”期间我国烧结磁体总产量达到吨左右，销售总额亿元。到年中国烧结磁体产量将达到万吨，占全球，销售额亿元。在未来内，我国将成为世界稀土永磁材料的制造中心。二是稀土超磁致伸缩材料（简称），此种材料可有效地提高国防、航

17、天、航空等领域技术装备水平，材料被美国等西方国家列为对中国禁运的功能材料。 三是稀土磁制冷材料，目前发达国家都把磁制冷技术的研究开发列为世纪的重点攻关项目，投入了大量资金、人力和物力，竞争极为激烈。到年我国将禁止生产和使用氟里昂等氟氯碳和氢氟氯碳类化合物。从目前美国室温磁制冷技术研究进展情况看，到年内，室温磁制冷技术有可能在汽车空调系统中得到实际应用，之后将进一步开发家用空调和电冰箱等磁制冷装置。 四是稀土巨磁电阻材料。年，美国公司首先实现巨磁电阻（）效应的产业化，并销售巨磁电阻磁场传感器。世界磁头的市场总额已达亿美元年。我国已把效应的研究及应用开发列为我国重点攻关的七个高科技领域之一。 稀土

18、催化材料：汽车尾气净化、天然气催化燃烧中的应用 据统计，年我国汽车的尾气催化剂、载体和氧传感器所消耗的各类稀土总量达吨，预计到年将达吨。自世纪年代末以来，发达国家的环保催化剂市场一直以以上的速度增长。 稀土催化材料在燃料电池中的应用已成为各国研究开发的热点。燃料电池已开始在汽车、潜艇、移动电话、笔记本电脑和热电联产电厂等中使用，预计到年，燃料电池技术可在大型电站、新型分布式电站等方面形成超过亿美元的庞大市场。 稀土发光材料高清晰度电视和平板显示、半导体照明中的应用 稀土发光材料荧光粉主要应用于显示和照明领域。年，我国彩电、节能灯用荧光粉产量达多吨，产值约亿元人民币，与其关联的下游产业照明电器、

19、彩电和显示器等的产值达数千亿元之巨。据估计，年全世界荧光粉消费稀土吨（稀土氧化物），占世界稀土市场，但其产值却占，约亿美元。 在照明领域发光二极管（）已成为全球的热点，正孕育着一场新的照明革命。据印度稀土有限公司的研究报告称，稀土荧光灯的广泛应用有助于中国每年节约万度电。 最近，国家半导体照明工程产业化基地正式落户上海，成为我国四大半导体照明工程产业化基地之一。去年月我国成立了半导体照明工程协调领导小组，半导体照明产业化技术开发已成为国家“十五”科技攻关重大项目。 据预测，稀土荧光粉到年将达到吨，其中投影电视、荧光灯、背光源、荧光粉的用量将增长到倍。 稀土贮氢合金：电动汽车和家电中的应用稀土贮

20、氢合金广泛应用于信息通讯、电动汽车、家电等领域，市场前景十分广阔，是世纪绿色能源领域中的战略性材料。预计年之前我国贮氢合金产量年均增长率，达到年产吨，消费稀土吨；到年世界市场将需求亿只小型镍氢电池，年需贮氢合金万吨。预计年我国电动汽车用稀土贮氢合金年产量将达到万吨，整个市场规模可达到亿元。电动汽车所需的储氢合金将成为稀土最大的高新技术产业之一。结束语 由于稀土磁性材料种类繁多，发展日新月异，有关文献资料瀚如烟海，加之作者水平有限，因此在章节安排和内容取舍以及文字编排中难免有不妥之处，敬请专家和读者批评指正，谢谢。参考文献1 褚卫国等，Sm2(Fe,M)17Nx稀土永磁材料的研究进展，功能材料，

21、1999，30（5）：4564582 都有为，磁性材料进展，第十届全国磁学和磁性材料会议论文集，1999：10153 500SmCo磁体，稀土信息，1998，第16期，15.4 Ying-Chang Yang et al, Magnetic Properties of the Rare Earth-Iron Nittide Intermetallic Compounds, Proc. Of 11 Intl Workshop on Rare Earth Magnets and Their Application, 1990,2:1905 三荣化成,冶金工业报，1988，第24期.6 Betzig

22、 E, Trauman J K. Wolfe R, et al., Near-field Optical Data Storage Using a Solid Immersion Lens. Appl. Phys. Lett.,1992,61:1427 Reif J, Rau C, Mathias E, et al., Near-field Magneto-Optics and High Density Data Storage. Phys. Rev. Lett., 1993,71:9318 干福熹主编，信息材料，天津大学出版社，2000：3959 Xiong G C, Li O, Ju H

23、L, et al, Giant Magnetoresistance in epitaxial Nd0.7Sr0.3Mn3- thin films, Appl. phys. Lett., 1994, 66:142710 刘兰兰，金属钆及其合金的磁热效应研究，上海大学硕士学会论文，199911 K.A.Gschneidner, Jr., Appled phys. Lett.64,1994:25312 都有为，倪刚，纳米材料进展，功能材料，增刊，1998，10：1317。13 林河成1 我国稀土永磁材料的新进展J .世界有色金属 ,2005 , (5) :28233.14 林河成1 中国稀土永磁材料

24、的发展现状J . 矿业快报 ,2006 , (10) :14 ; (11) :124.15 罗阳1 全球烧结 NdFeB 磁体产量变化的历程J .稀土信息 ,2007 , (5) :429.16 全国稀土信息网1 稀土信息 ,2007 , (3) : 527 ; 2008 ,(3) :426 ;2009 , (3) :526.17 万永1 Sm2Fe2N 系粘结永磁体的发展现状J .金属材料研究 ,2008 , (2) :5210.18 周新增等、稀土永磁材料及其应用 冶金工业出版社 (1978)，54.19 李荫远、李国栋 铁氧体物理学（修订本），科学出版社，(1978),54.20 磁泡编写组，磁泡，科学出版社，(1974),53.- 8 -