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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__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11__Co522__2CoCuFeZr1732Nd2Fe14B56理论值64__2FeCo17N
346.5
[1]理论值62纳米晶双相稀土永磁体25
[2]理论值120
[2]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__出工作温度达到200℃的钕铁硼,但在许多地方还是不能替代工作温度高,温度系数低的钐钴永磁现已__出工作温度可达400℃、500℃的__2CoCuFeEr17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+α-Fe100__2Fe17N3+α-Fe110__2Fe17N3+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Nd7Fe__B4和__7Fe93N的磁能积分别达到
20.6和25MGOe
[2],“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__的努力方向科学技术是第一生产力最近有报道,__三荣化成用新技术研究__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__的稀土永磁体永磁体最大磁能积(MGOe)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、__、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__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FeNiCo合金等传统材料大得多(高几十倍)的磁致伸缩系数λ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)Fe2Tb1-xHoxFe2__1-xDyxFe2__1-xHoxFe2Tb1-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-xDyxFe
20.68≤x≤
0.73的λ值最大,常称为Terfenol-D这些材料的应用特性正随应用的__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,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,____、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__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)3FeGa5O12)单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存储[6,7],存储密度大辐度提高,可达到100Gb/in
21.
4、庞磁阻(Colossal__gnetoResistan__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-xTxMnO3RE=LaPrNd__T=CaSrBaPb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
1.27×105%
[8],Nd
0.7Sr
0.3MnO3在60K时加入6400KA/m磁场后,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(__gneticBubble)存储材料磁泡是一种园柱形磁畴,在外磁场作用下可以__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,__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)单晶衬底上稀土元素通常用Y3+La3+Gd3+__3+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ErAl2HoAl2和HoDyAl2复合材料的致冷工作温度是15~77KGdErAl2复合材料磁矩大,居里温度范围大,致冷工作温度可在15~164K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Gd6Fe23
[10]Dy
0.5Er
0.5Al2
[11])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__小噪音小因此适合于海岛山区和草原等场地的__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省市均在应用或计划__据统计在2010年后估计风力发电使用烧结NdFeB永磁6000t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__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__粘结Nd2FeB用量1200t/a美国次之中国占第三位
2.
3、__Co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,1995年平均每辆汽车使用20台小型永磁马达,预计到2005年将增加到30台,未来10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20%左右据全国稀土永磁材料协作网预测,“十五”期间我国烧结NdFeB磁体总产量达到50000吨左右,销售总额150亿元到2010年中国烧结NdFeB磁体产量将达到7万吨,占全球75%,销售额260亿元在未来10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GMM),此种材料可有效地提高国防、__、__等领域技术装备水平,GMM材料被美国等西方国家列为___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__列为21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2010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,3到5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__家用空调和电冰箱等磁制冷装置四是稀土巨磁电阻材料1994年,美国NVE公司首先实现巨磁电阻(GMR)效应的产业化,并销售巨磁电阻磁场传感器世界GMR磁头的市场总额已达400亿美元/年我国已把GMR效应的研究及应用__列为我国重点攻关的七个高科技领域之一稀土催化材料汽车尾气净化、天然气催化燃烧中的应用据统计,2003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910吨,预计到2005年将达1560吨自20世纪90年代末以来,发达国家的环保催化剂市场一直以20%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__的热点燃料电池已开始在汽车、潜艇、____、笔记本电脑和热电联产电厂等中使用,预计到2010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3000亿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2003年,我国彩电、节能灯用荧光粉产量达2000多吨,产值约8亿元人民币,与其关联的下游产业--照明电器、彩电和显示器等的产值达数千亿元之巨据估计,2000年全世界荧光粉消费稀土5500吨REO(稀土氧化物),占世界稀土市场6%,但其产值却占40%,约3.3亿美元在照明领域发光二极管(LED)已成为全球的热点,正孕育着一场新的照明__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150-200万度电最近,国家半导体照明工程产业化__正式落户__,成为我国四大半导体照明工程产业化__之一去年6月我国成立了半导体照明工程协调__小组,半导体照明产业化技术__已成为国家“十五”科技攻关重大项目据预测,稀土荧光粉到2005年将达到5000吨,其中投影电视、荧光灯、LCD背光源、PDP荧光粉的用量将增长1.5到2.5倍稀土贮氢合金电动汽车和家电中的应用稀土贮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21世纪绿色能源领域中的战略性材料预计2005年之前我国贮氢合金产量年均增长率15%,达到年产4500吨,消费稀土1800吨;到2005年世界市场将需求20亿只小型镍氢电池,年需贮氢合金2万吨预计2010年我国电动汽车用稀土贮氢合金年产量将达到2万吨,整个市场规模可达到20亿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__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____
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