稀土元素獨特的物理化學性質，決定了它們具有極為廣泛的用途。稀土元素具有獨特的4f電子結構，大的原子磁距，很強的自旋軌道藕合等特性，與其他元素形成稀土配合物時，配位數可在3～12之間變化，並且稀土化合物的晶體結構也是多樣化的。在新材料領域，稀土元素豐富的磁學、電學、熱學、及光學特性得到了廣泛應用。稀土磁效應材料是重要的一組稀土新材料，主要包括稀土永磁材料、稀土超磁致伸縮材料、稀土磁致冷材料、稀土巨磁電阻材料、稀土磁光存儲材料等。

稀土永磁材料

磁性材料早在3000多年前就被人們所認識。西元前4世紀，我國就有了關於磁石吸鐵的文字記載。作為我國古代四大發明之一的指南針，則是歷史上對磁體最早的技術應用。儘管如此，直到上個世紀末，隨著對物質磁性研究的深入和工藝技術水準的提高，永磁材料的應用和研究才可謂真正開始。

在歷史上起過重要作用的永磁材料有碳鋼、鎢鋼、鈷鋼、鐵鎳鋁材料。1935年列寧格勒的科學家在《Nature》上發表一篇短文：Nd-Fe材料具有高於340kA/m4.27KOe矯頑力。從此，稀土永磁材料才逐漸被認識和發展。

1966年，美國學者k.j.Strant等人在實驗室研製出BHmax=40kJ/M3約5.1MGOe的SmCo5粉末粘結永磁材料，成為第一代稀土永磁材料誕生的里程碑。1977年日本的T.Ojima等人利用粉末冶金法研製出BHmax=30MGOe的SmCoCuFeZr7.2永磁材料，達到當時實用永磁體磁能積的最高值，標誌著第二代稀土永磁材料誕生。1983年，日本住友特殊金屬公司的M.Sgawa等人用粉末冶金方法製備釹鐵硼磁體的磁能積BHmax高達36.5MGOe和美國通用汽車GM公司宣佈了以Nd2Fe14B相為基的實用磁體開發成功，標誌第三代釹鐵硼永磁材料誕生。

從1-5型1966年、2-17型1977年到2-14-1型1983年，僅用了17年時間，稀土永磁材料有了三次大飛躍。釹鐵硼永磁材料是國家重點鼓勵發展的高科技產業，高性能釹鐵硼燒結磁體主要應用于微波通訊、電腦、航太、汽車、儀器儀錶、醫療及生物等領域，具有十分廣闊的市場前景。目前，全世界燒結釹鐵硼永磁體的年平均增長率為25％，我國的釹鐵硼企業充分利用稀土大國的資源優勢，發展勢頭強勁，年平均增長率為40％以上。

稀土超磁致伸縮材料

材料在磁場作用下發生長度或體積的變化，這種現象稱磁致伸縮。稀土超磁致伸縮材料是國外80年代末新開發的新型功能材料，主要是指稀土－鐵系金屬間化合物。這類材料具有比鐵、鎳等大得多的磁致伸縮值，其磁致伸縮係數比一般磁致伸縮材料高約100～1000倍，因此被稱為稀土超磁致伸縮材料。特別是上世紀70年代才發現的鋱鏑鐵磁致伸縮材料（Terfenol-D）的研製成功，實現磁?電能－機械能的高效轉換，對尖端技術、軍事技術的發展及傳統產業的現代化產生了重要作用，開闢了磁致伸縮材料的新時代。稀土超磁致伸縮材料開始主要用於聲納，目前已廣泛應用於致動器、石油、高能微型功率源、換能器、衛星定位系統、智慧電噴閥、微型助聽器、超聲洗衣機、醫療器械、感測器、閥門控制、精密車床、機器人、蠕動馬達、阻尼減振、延遲器、太空望遠鏡的調節機構和飛機機翼調節器等，是軍民兩用高附加值的稀土功能材料，具有廣闊的市場前景。

美國邊緣技術EdgeTechnologies公司1989年開始生產稀土超磁致伸縮材料，其商品牌號為Terfenol-D，隨後瑞典FeredynAB公司也生產、銷售稀土超磁致伸縮材料，產品牌號為Magmeg86。近10多年來，日本、俄羅斯、英國和澳大利亞等也相繼研究開發出TbDyFe2型磁致伸縮材料，並有少量產品銷售。據美國前沿技術公司統計，全世界Terfenol-D材料產量，1989年僅為100千克，1993年約1000千克，1995年達到10噸，而到1997年已達到70噸。美國國內每年用於聲納等器件的Terfenol-D材料價值約數百萬到1000萬美元，聲納、油壓機、機器人等器件的市場金額每年約6億美元。最近５年來，Terfenol-D的市場年增長率為100％。我國在上世紀90年代初北京有色金屬研究總院、中國科學院物理所、包頭稀土研究院、北京科技大學、北京鋼鐵研究總院等開始稀土超磁致伸縮材料的研究，實驗室達到較先進水準。在器件研究方面，GMM的應用研究已列入國防科工委的“九五”攻關項目，近1至2年器件應用研究方面進展很快，推動稀土超磁致伸縮材料產業的發展。北京有色金屬研究總院採用直拉工藝製備的鋱鏑鐵TbDyFe2的磁致伸縮係數高達1600ppm，並已成功研發熔煉、澆鑄、定向凝固、熱處理在同一台設備實現的一步法新工藝，特別適用於製備大直徑?Φ50ｍｍ～Φ70mm、多規格的稀土超磁致伸縮材料。

稀土磁致冷材料

磁致冷材料是用於磁致冷系統的具有磁熱效應的物質。磁致冷首先是給材料加磁場，使磁矩按磁場方向整齊排列、磁熵變小，然後再撤去磁場，使磁矩的方向變得雜亂、磁熵變大，這時材料從周圍吸收熱量，通過熱交換使周圍環境的溫度降低，達到致冷的目的。磁致冷材料是磁致冷機的核心部分，即一般稱謂的製冷劑或製冷工質。磁致冷材料基本都是以稀土金屬為主要組元的材料或化合物，尤其是室溫磁致冷幾乎全是採用稀土金屬Gd或Gd基材料。這種材料有Gd3Ga5O12GGG石榴石，GGG還可用作磁泡記憶體晶體材料Dy:Al5O12DAG石榴石等。其他材料還有Dy2Ti2O7、Dy2Ti2O7、Gd3Al5O12、GdOH3、Gd2PO33和DyPO4等。目前一種新型磁致冷材料Gd5Si4Ge2已被開發出來，其優點是磁熱效應大，且使用溫度可以從30k左右調整到290k。美國已成功開發出第一台室溫磁致冷樣機。用磁致冷材料代替傳統製冷劑，不僅可以減少環境污染，還可以節約電能，且致冷材料可以重複使用。另外，在超導研究中，需用液氦冷卻超導體，氦價格昂貴，磁致冷機可用於液化蒸發的液氦，減少氦的損失。也許有一天冰箱和空調機中也會採用磁致冷機。低溫磁致冷裝置具有小型化和高效率等獨特優點，廣泛應用於低溫物理、磁共振成像儀、粒子加速器、空間技術、遠紅外探測及微波接收等領域，某些特殊用途的電子系統在低溫環境下，其可靠性和靈敏度能夠顯著提高。磁致冷是使用無害、無環境污染的稀土材料作為製冷工質，若取代目前使用氟里昂製冷劑的冷凍機、電冰箱、冰櫃及空調器等，可以消除由於生產和使用氟里昂類製冷劑所造成的環境污染和大氣臭氧層的破壞，因而能保護人類的生存環境，具有顯著的環境和社會效益。

　1984年80多個國家參加簽署的《關於消耗臭氧層物質的蒙特利爾議定書》規定，為了防止生產和使用氟氯碳類化合物造成的大氣臭氧層的破壞，到2000年全世界將限制和禁止使用氟里昂製冷劑，我國於1991年6月加入這個國際公約並作出規定，到2010年我國將禁止生產和使用氟里昂等氟氯碳和氫氟氯碳類化合物。因此，需要加快研究開發無害的新型製冷劑或不使用氟里昂製冷劑的其他類型製冷技術。迄今，在有關這方面的研究開發中，發現磁致冷是製冷效率高，能量消耗低，無污染的製冷方法之一。從目前美國室溫磁致冷技術研究進展情況看，在3到5年內，室溫磁致冷技術有可能在汽車空調系統中得到實際應用之後，並將進一步開發家用空調和電冰箱等磁致冷裝置。目前，磁致冷材料、技術和裝置的研究開發，美國和日本居領先水準，這些發達國家都把磁致冷技術研究開發列為本世紀末21世紀初的重點攻關專案，投入了大量資金、人力和物力，競爭極為激烈，都想搶先佔領這一高新技術領域。

稀土巨磁電阻材料

巨磁電阻GMR材料是指在外磁場的作用下電阻可顯著降低的一類功能性材料。GMR材料主要包括?Fe/Cr普通多層膜、NiFe/Cu/NiFe/FeMn自旋閥薄膜、Co/Cu二元或多元複合顆粒鑲嵌薄膜、Fe/Al2O3/Fe隧道結薄膜、NiFe/Ag間斷多層膜及類鈣鈦礦RE1-xAxMnO3型錳氧化物薄膜?RE為稀土，A為鹼土金屬。1993年，英國Helemolt等人首先在La2/3Ba1/3MnO3薄膜中觀察到GMR效應，並提出了一系列物理與材料的基礎和技術難題，在全球範圍內迅速形成了研究錳氧化物GMR效應的熱潮。1995年，熊光成等人在美國Maryland大學發現鈣鈦礦型錳氧化物Nd-Sr-Mn-O中在77Ｋ、外場8T時，GMR值達到創記錄的106%。但該效應需要低溫<200Ｋ和很大的外場一般為5～8Ｔ才能顯示出來，限制了鈣鈦礦型稀土錳氧化物巨磁電阻材料的應用。能否提高使用溫度和降低外場是目前鈣鈦礦型稀土錳氧化物巨磁電阻材料實用化的關鍵。稀土巨磁電阻材料作磁性“讀寫頭”，可望將電腦的硬碟容量擴大20倍，每平方英寸達100億個數據點。稀土巨磁電阻材料應用前景廣闊，如巨磁電阻感測器速度、加速度、角度、轉速感測器、高密度和超高密度磁記錄讀磁頭、隨機記憶體MRAM、具有高密度和高保密特性的IC卡等。

稀土磁光存儲材料

磁光存儲材料的研究早在上世紀50年代就開始了。1957年英國Williams等人研究使用MnBi薄膜磁化並用光讀取資料，從此開展了磁光存儲的研究。特別是1973年，日本櫻井等人發現的稀土－過渡族金屬非晶態膜GdCo作為磁光存儲材料是有前途的，以此為契機推動了磁光存儲材料的飛速發展。加上半導體鐳射、制膜等周邊技術的發展，大大推進了磁光存儲技術發展。10多年來，日、美、德等發達國家投入了大量的人力、物力，竟相研發磁光記錄材料、技術和裝置。稀土磁光存儲材料是稀土與過渡金屬的非晶態薄膜RE-TM,RE＝Gd、Tb、Dy，TM=Fe,Co；RE-TM非晶態薄膜垂直磁化膜具有較大各向異性，存儲密度高；因是非晶態故反射均勻、信噪比高、信號品質好；室溫矯頑力大10KOe，信號不易損壞，可靠性高；居裏溫度可調整到100℃左右，寫入溫度低。這種材料被用作磁光碟MO，可隨機讀寫資訊，容量極大?可達2.6GB，讀寫速度快。磁光存儲材料在資訊時代發揮著重要作用。日本于1988年研製成功第一代磁光碟並投放市場，1995生產的5.25英寸磁光碟雙面存儲容量達到1000ＭＢ。磁光碟兼具有磁片和光碟兩者優點，即可以直接重寫作業、容量大、壽命長。在強大的市場驅動下磁光碟已經完成了第一代180MB、第二代230ＭＢ的歷程，第三代磁光碟640MB已經工業化生產並廣泛應用，目前已經進入了第四代1300MB的研發階段。磁光碟主要用於大容量資料存取、廣告、娛樂業等。5.25英寸磁光碟逐漸淘汰，3.5英寸磁光碟為主流，2.5英寸磁光碟為家庭數碼電器?數碼相機、數碼攝像機等?主流。用GdFeCo、TbFeCo、TbFeCoAl等金屬間化合物薄膜製成光碟，探找可實現垂直磁化的、抗氧化的、長壽命的40年新型磁記錄材料，以提高存儲密度?100Gbit/in2和存儲速度。我國也十分重視磁光碟高新技術研發。

中科院上海冶金研究所和成都電子科技大學等單位於1991年和1992年研製成功可直接重寫的磁光碟。我國惟一年產40萬張磁光碟640ＭＢ生產線已於1996年8月在成都電子科技大學四川天極實業有限公司建成投產。我國稀土磁光碟研究與生產和發達國家相比，差距很大，迫切需要開展稀土磁光靶材及磁光碟研究。


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一、粘結永磁體的製造工藝

粘結永磁體是指用永磁粉末混入一定比例的粘結劑，按一定的工藝製成的一種磁體。按其最終的形態可分為柔性磁體和剛性磁體，按其生產工藝可分為4種：壓延成型(又稱輥軋成型)、注射成型、擠壓成型和模壓成型。

1．壓延成型(Calendering) 壓延成型是出現較早的一種粘結方法，其工藝過程大致為：將磁粉和粘結劑按大約7：3(體積比)的比例混合均勻，在柔軟狀態下通過兩個對軋的軋輥軋製成所需的厚度，然後經過團化處理製成產品。所使用的粘結劑為丁睛橡膠和乙烯類樹脂，製成的產品是柔性的磁板，厚度為O.3—6mm，寬度約lm，長度幾十米，一般使用鐵氧體磁粉，為了提高磁性能，可加入少量的釹鐵硼磁粉。磁板表面不需要塗層保護，一般進行表面貼膜作為裝 飾。

2．注射成型(1njection Moulding) 注射成型是從製造注射塑膠製品演變而來的。首先將磁粉和粘結劑混合均勻，經過混煉和造粒，製成乾燥的粒料，然後把粒料用螺旋式導料杆送到加熱室加熱，注射進模具成型，冷卻後即得產品。所用粘結劑一般為尼龍6、聚醯胺、聚脂和PVC等，加入量為20％~30％(體積百分數)。這種工藝可製成各種複雜形狀的粘結磁體，且磁體是剛性的。所用磁粉一般為鐵氧體、釹鐵硼及釤鈷磁粉，用後兩種磁粉由於硬度較大對導料杆和模腔磨損嚴重，是目前較為關注的問題之一。由於磁體表面已有一層粘結劑薄膜，不需進行表面塗層保護。

3．擠壓成型(Extrusion) 其工藝過程和注射成型基本相同，唯一區別是這種工藝是將加熱後的粒料通過一個孔洞擠入模具中成型，所得產品也是剛性的，所用粘結劑與注射成型相同，加入量為20％(體積)左右。這種工藝一般用來生產其他粘 結工藝較難實現的薄片狀或薄壁環狀磁體。

4．模壓成型(Compression) 模壓成型是借鑒粉末冶金工藝的一種粘結方法，首先將磁粉和粘結劑按比例混合，使得粘結劑均勻地塗覆在每一個磁粉顆粒表面，經過簡單造粒並加入一定量的添加劑，把混合粉放入模具中在壓機上成型，成型壓力 一般為7—10t／cm2，最後將壓坯放入烘箱中在120—150 ℃下固化得到最終產品。所用粘結劑一般是熱固型環氧類樹脂或酚醛類樹脂，加入量為10％~20％(體積)。由於加入的粘結劑量少，這種工藝製成的粘結磁體的 磁性能最好，是目前發展最快的一種工藝。特別是釹鐵硼永磁材料出現以後，粘結釹鐵硼永磁體幾乎全部採用這種工藝，已逐漸形成了產業化。粘結磁體表面需進行塗層保護，一般採用陰極電泳、噴塗或其他表面防護方法。

二、粘結永磁體的磁性能及應用

壓延工藝製成的粘結磁體為保持其柔韌性，一般使用粉末粒度為1—1．5μ m的磁粉，加入的粘結劑量也較多，因此這種工藝大部分使用鐵氧體磁粉，產品全部是各種厚度的板狀物，然後再用刀具切割成其他形狀。由於易於彎曲，可很容易地製成多極磁環，原材料和製造成本較低，用途很廣泛，可用於微型電機、印表機壓板、大型看板和兒童玩具等。這種工藝製成的粘結磁體的最大磁能積 (BH)max＝4—6．4kJ／m3(各向同性)，為提高磁性能，可加入適量的釹鐵硼磁粉，獲得實用的粘結磁體(BH)max＝9．6—11．2kJ／m3，與該工藝製成的各向異性粘結磁體的磁性能相同。

 對於注射成型工藝，為保證磁粉的流動性和磁體的強度，也需加入較多的粘結劑，因此，其粘結磁體的磁性能與壓延工藝的基本一樣。注射成型工藝可生產各向異性磁體，即在將粒料注入模具時加一定的恒磁場或脈衝磁場，以提高粘結磁體的磁性能。產品主要用於儀器儀錶中，如汽車、輪船、飛機的速度表、燃油表和電流電壓表等。

 擠壓工藝適於製造很薄的片狀或高度較高的薄壁環狀粘結磁體。加入的粘結劑用量較壓延和注射工藝的少，磁性能一般為(BH)max＝3．2—4．8kJ／m3(各向同性)，產品主要用於墊圈、小型廣告標牌以及電機中。 由於工藝和生產設備的限制，壓延、注射和擠壓成型工藝大多用於鐵氧體磁粉，產品磁性能均比較低。模壓成型是目前應用最廣泛的一種工藝，特別是快淬釹鐵硼永磁粉出現以後，得到了飛速發展。由於加入粘結劑量很少，對於同一種材料來說，用模壓成型獲得的磁體的磁性能最好。粘結鈷鐵硼永磁體幾乎全部使用快淬磁粉作為原材料(少量用HDDR工藝生產的磁粉)，工藝基本上採用模壓成型，磁性能最高。(BH)max＝64—96kJ／m3(各向同性)，應用市場十分廣闊。

三、粘結磁體的市場及發展前景

 據有關統計，1995年全球永磁體市場為36億美元，其中粘結磁體為10億美元，約占28％，工業用粘結磁體74％是鐵氧體，22％是釹鐵硼，其餘為粘結釤鈷永磁體。從1990年至1995年，粘結釹鐵硼永磁體的市場發展 很快，逐漸佔據了主導地位，平均年增長率為35％，1996年和l997年增長率為20％左右，儘管受亞洲金融危機的影響，l998年和l999年仍將保持15％的增長率。如上所述，粘結釹鐵硼永磁體主要使用快淬磁粉，1995年和1997年生產這類磁粉分別為1400噸、2050 噸。相應的粘結釹鐵硼永磁體分別為l 300噸和1800噸，總銷售額為2．04億美元和1．87億美元。可以看到，儘管市場每年都在增加，粘結釹鐵硼永磁體的價格卻在下降。

 PC機(個人電腦)行業是粘結釹鐵硼永磁體的最大市場，l997年HDD(硬碟驅動器)主軸電機、CD—ROM、FDD(軟碟驅動器)主軸電機和FDD步進電機所用粘結磁體中，56％用的是粘結鑽鐵硼永磁體，預計2000年將生產2億台HDD主軸電機。另外，汽車行業是粘結永磁體一個最大的潛在市場。

 用快淬磁粉只能生產各向同性粘結磁體，近幾年逐漸研製出各向異性磁體、主要使用HDDR氫裂釹鐵硼磁粉或Sm2Fe17Nx磁粉。但要進行工業化規模生產，還需在工藝設備方面進行深入的研究工作。值得注意的是 近年來開發的低放雙相藕合(又稱交換彈簧作用)磁粉，用於做粘結磁體，這類磁體的特點是剩磁很高，Br＝O.7～O.9T，內稟矯頑力較低， jHc ＝ 160 ～ 280kA／m ，適於做細長的磁體或多極充磁磁體，成本較快淬釹鐵硼磁 粉便宜很多，是一種廉價實用的稀土快淬磁粉。


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1　前言

早在50年代我國仿製的飛機和導彈的蒙皮、框架及發動機機匣已採用稀土鎂合金，70年代後，隨著我國稀土工業的迅速發展，航空稀土開發應用跨入了自行研製的新階段。新型稀土鎂合金、鋁合金、鈦合金、高溫合金、非金屬材料、功能材料及稀土電機產品也在殲擊機、強擊機、直升機、無人駕駛機、民航機以及導彈衛星等產品上逐步得到推廣和應用。

2　稀土材料及其在航空工業中的應用

2.1　稀土鎂合金

稀土鎂合金比強度較高，對減輕飛機重量，提高戰術性能具有廣泛的應用前景。中國航空工業總公司（簡稱：中航總）研製的稀土鎂合金包括鑄造鎂合金及變形鎂合金約有10多個牌號，很多牌號已用於生產，品質穩定。例如：以稀土金屬釹為主要添加元素的ZM6鑄造鎂合金已擴大用於直升機後減速機匣、殲擊機翼肋及30KW發電機的轉子引線壓板等重要零件。中航總與有色金屬總公司聯合研製的稀土高強鎂合金BM25已代替部分中強鋁合金，在強擊機上獲得應用。“八、五”期間，為了擴大稀土鎂合金的推廣應用，還開展了稀土鎂合金在醫學工程上的應用。目前該材料正在做醫學生物實驗，有望稀土鎂合金作為人工骨接材料代替現用金屬夾具，減少病人第二次取出夾具的手術，又將開闢了一個新的廣闊的應用天地。

稀土鑄造鎂合金主要用作200～300℃以下長期使用，它具有好的高溫強度和長期抗蠕變性能。各種稀土元素在鎂中的溶解度不同，增加的順序為鑭、混合稀土、鈰、鐠、釹。它對常溫、高溫力學性能的良好影響也隨之增加。中航總研製的以釹為主要添加元素的ZM6合金在熱處理後不但具有高的室溫力學性能，而且還有良好的高溫暫態力學性能和抗蠕變性能，可在室溫下使用，也可在250℃下長期使用。隨著含釔抗蝕新型鑄造鎂合金的出現，近年來鑄造鎂合金重新受到國外航空工業的青眯。

在鎂合金中添加適量的稀土金屬以後，可以增加合金的流動性，降低微孔率，提高氣密性，顯著改善熱裂和疏鬆現象，使合金在200～300℃高溫下仍具有高的強度和抗蠕變性能。2．2稀土鈦合金

70年代初，北京航空材料研究院（簡稱：航材院）在Ti－A1－Mo系鈦合金中用稀土金屬鈰（Ce）取代部分鋁、矽，限制了脆性相的析出，使合金在提高耐熱強度的同時，也改善熱穩定性能。以此基礎上，又研製出了性能良好的含鈰的鑄造高溫鈦合金ＺT3。它與國際同類合金相比，在耐熱強度及工藝性能方面均具有一定的優勢。用它製造的壓氣機匣用於WPI3Ⅱ發動機，每架飛機減重達39公斤，提高推重比1.5％，此外減少加工工序約30％，取得了明顯的技術經濟效益，填補了我國航空發動機在500℃條件下使用鑄鈦機匣的空白。研究表明，含鈰的ZT3合金組織中存在著細小的氧化鈰質點。鈰化合了合金中的一部分氧，形成了難熔的、高硬度的稀土氧化物質點Ce203。這些質點在合金形變過程中阻礙了位錯運動，提高了合金高溫性能，鈰奪取了一部分氣體雜質（尤其是在晶界上的），就有可能在使合金強化的同時，保持良好的熱穩定性能。這是在鑄造鈦合金中應用難溶質點強化理論的首次嘗試。

此外航材院在鈦合金溶模精密鑄造工藝中，經多年研究，採用了特殊的礦化處理技術，研製出了穩定廉價的氧化釔砂料與粉料，它在比重、硬度和對鈦液的穩定性上，都達到了較好的水準，而在調節控制殼料漿性能上，表現出更大的優越性。用氧化釔型殼製造鈦鑄件的突出優點是：在鑄件品質和工藝水準與鎢面層工藝相當的條件下，能製造比鎢面層工藝更薄的鈦合金鑄件。目前，該工藝已廣泛用於製造各種飛機、發動機及民品鑄件。

2.3　稀土鋁合金

中航總研製的含稀土耐熱鑄造鋁合金HZL206，與國外含鎳的合金比較，具有優越的高溫和常溫力學性能，並已達到國外同類合金的先進水準。現已用於直升機和殲擊機工作溫度達300℃的耐壓閥門，取代了鋼和鈦合金。減輕了結構重量，已投入批量生產。稀土鋁矽過共晶ＺL117合金在200～300℃下的拉伸強度超過西德活塞合金KS280和KS282，耐磨性能比常用活塞合金ＺL108提高4～5倍，線膨脹係數小，尺寸穩定性好，已用於航空附件KY－5，KY－7空壓機和航模發動機活塞。稀土元素加入鋁合金中，明顯改善顯微組織和機械性能。稀土元素在鋁合金中的作用機制為：形成分散分佈，細小的鋁化合物起著顯著的第二相強化作用；稀土元素的加入起到了除氣淨化作用，從而減少合金中氣孔的數量，提高合金的性能；稀土鋁化合物作為異質晶核細化晶粒和共晶相，也是一種變質劑；稀土元素促進了富鐵相的形成和細化，減少了富鐵相的有害作用。α－A1中Fe的固溶量隨稀土加入量的增加而減少。也對提高強度和塑性有利。

2.4　稀土非全屬材料

稀土有機灌注料XZ－1已用於高性能發動機控油系統的燃油電磁開關，液壓電磁開關等八種電磁鐵產品，由於成本低，施工簡便，因此可以大量取代環氧灌注料，具有很好的經濟效益。系統防老化橡膠塗料KF－1的研製成功，解決了長期以來飛機油箱使用壽命短的難題，KF－1的投入使用，使得飛機油箱使用壽命由原來的3～5年延長到15～20年，並提高了使用性能，取得了顯著的技術經濟效益。含Y2O3的MCrAIY塗層是發動機渦輪葉片、導向葉片等發動機熱端部件用的可設計成分的第三代塗層，已在國外高性能、長壽命發動機上得到應用。航材院採用磁控濺射沉積工藝和多弧離子鍍技術已研製成功這種塗層系列，其抗熱腐蝕及綜合性能已達到國外同類塗層的先進水準。該塗層系列已被高溫合金、定向凝固合金、單晶合金和Ni－A1基合金渦輪葉片、導向葉片選用，作為高溫抗氧化塗層已在先進發動機和地面燃氣渦輪機上使用。Y2O3在該系列塗層中起著塗層與基體合金的“釘紮”作用，顯著提高了塗層與基體的結合力。

稀土添加劑在化學熱處理方面也起到了重要的作用，由於稀土元素具有特定的電子結構和很高的化學活性，在化學熱處理中有顯著的活化作用，對改善滲層的組織和性能及提高滲層速度有明顯的效果。中航總310廠將常規滲碳、氮和碳氮共滲與加入稀土添加劑工藝進行比較，滲劑中加入稀土元素，初步試驗研究表明滲速可提高30％。加入稀土的高速鋼氮碳共滲硬度Hv從933～946可提高1350～1478。稀土元素用於化學熱處理的方法簡便易行，對設備無特殊要求，對提高產品重量和節省能源都具有重要意義，有很好的推廣應用價值。

2.5　稀土永磁材料

稀土永磁材料發展十分迅速，現已在許多領域裏得到了廣泛的應用，成為當代新技術的重要物資基礎。自80年代以來利用釤鈷合金做稀土永磁電機。產品類型包括伺服電動機、驅動電動機、汽車啟動機、地面軍用電機、航空電機等，部分產品出口，釤鈷永磁合金的主要特點是：（1）退磁曲線基本上是一條直線，其斜率接近於逆磁導率，即回復直線近似與去磁曲線重合；（２）具有極大的矯頑力，有很強的抗去磁能力；（3）具有很高的最大磁能積；（4）可逆溫度係數很小，磁性的溫度穩定性較好，由於以上特點，稀土釤鈷永磁合金特別適合在開路狀態、壓力場合、退磁場情況或動態情況下運用，並適合製造體積的小的元件。

中航總125廠生產的160LY?.2永磁直流力矩電機使用釹鐵硼（NTP200／6４）磁鋼。用釹鐵硼永磁代替釤鈷永磁成本降低，性能提高。該廠生產的QZDM01－Ｈ稀土永磁淺車啟動機，使用了釹鐵硼磁鋼，該產品為稀土減速啟動機。使用稀土磁鋼，使啟動機體積小、效率高、輸出力矩大、啟動速度快。國內SmCo系永磁材料的溫度係數待改進，NdFeB系永磁材料的高溫穩定性和耐腐蝕性需要進一步提高，粘結NdFeB系永磁材料還處於研製開發階段。

永磁材料的發展先後經歷了鐵氧體階段（磁能積4.6MGOe），AINiCo合金階段（磁能積11.5MGOe），SmCo階段（磁能積31.0MGOe），NdFeB階段（磁能積43MGOe）。鈦鐵硼稀土永磁材料的研製成功，使耳機、揚聲器、步進電機、無芯電機等實現了超小型化。美國通用汽車公司在1000cc汽車發動機上採用NdFeB永磁體，使發動機重量減少40～50％，尺寸減少45％。若能提高該材料的使用溫度，將開闢該材料更為廣泛的應用前景。

3　稀土元素在航空材料發展中的作用

稀土元素在航空材料發展中的作有是由稀土元素的性質決定的。稀土元素的原子半徑大於常見金屬如Al、Mg等，因此稀土元素在這些金屬中的固溶度極低，幾乎不能形成固溶體；由於稀土元素具有很高的化學活性，稀土元素在化學反應中異常活潑，極易與氣體（如氧）、非金屬（如硫）及金屬作用，生成相應穩定的化合物；這些新形成的化合物多數是溶點高、密度小、化學性質穩定，稀土元素在金屬中的作用大體可歸納為如下幾個方面：

（1）減輕非金屬雜質的有害影響。氫是鋼和鋁合金的有害雜質，溶入液態金屬的氫凝固時以原子態析出，聚集成分子，導致出現晶間裂紋、疏鬆和針孔等氫致缺陷，給鑄造、塑性加工和性能帶來嚴重危害，實驗表明鋁及其合金中加入適量稀土（0.1～0.3％）將明顯的降低氫的含量，起到減少氫的危害作用提高合金的性能，此外稀土金屬也有降低鋁中硫和氧含量的效果。其化學反應式如下：

4/3［RE］＋2［O］→2/3RE203（固）
[RE]十[H]→REH(固）
RE（瓶）十MnS（固）→RES（固）＋Mn（瓶）

反應生成的稀土化合物，熔點高、比重輕，上浮成渣。而它們的微小的質點則成為鋁結晶過程的異質晶核。

（２）細化晶粒和枝晶組織，提高熱塑性。稀土可細化合金的鑄態組織，使枝晶網路更為清晰，從而改善合金的熱塑性。稀土化合物微小的固態質點提供了異質晶核或在結晶介面上偏聚阻礙晶胞的長大，為鋼液結晶細化提供了較好的熱力條件。

（3）改變夾雜物的形態和分佈。稀土與雜質形成化合物，在晶界析出，改變了原來的固溶存在方式，使夾雜物量降低。

（4）產生強化作用，稀土加入合金中使氫氧和夾雜物量降低，又細化了晶粒和枝晶網路，稀土與非金屬元素作用產生高溶點的化合物彌散於基體中，稀土與金屬元素生成高溶點的金屬問化合物，即消除粗大塊狀組織，又穩定晶界，這些都起到了提高材料強度的作用。（５）稀土的引入提高了含稀土合金材料的耐腐蝕性和抗高溫氧化性能。稀土元素的加入在鑄造、鍛造、焊接、熱處理及表面塗層技術中也作了一些研究，許多都取得了正的效應，但稀土元素在這些熱工藝過程中及製件中所超的作用機理有待進一步開發研究。

4　稀土在航空材料上的應用展望

由於稀土金屬的原子半徑大，極易失掉最外層2個s電子和次層的5d一個電子或4f的一個電子，而成三價離子。因此稀土金屬在化學反應中異常活潑，極易與其他物質反應。又由於稀土元素具有電子未完全充滿4f層的特性，而引導出各種磁、電和光的特性效應以及其他特殊性能。稀土元素的這些有吸引力的性能及廣闊的潛在用途，引起了航空材料科學家的極大重視及廣泛的研究，近期的研究重點：

4.1　稀土陶瓷材料

稀土材料在高推比航空發動機上的應用出現新進展。近年來中航總公司開展了稀土在結構陶瓷方面的應用研究。氮化矽陶瓷具有高溫下強度高、抗熱震性能好、高溫蠕變小等優良的性能，是一種最有希望用於高推重比發動機的新型結構陶瓷材料。氮化矽陶瓷仍遵循著液相燒結機理，需加入一些氧化物添加劑與Si3N4，顆粒表面的出SiO2層反應，生成液相以促進燒結。引入A120３，、MgO等氧化物為燒結助劑後，氮化矽陶瓷的斷裂韌性和強度並不高，但引人稀土氧化物Y2O3即Y203一A1203，或Y2O3一MgO為燒結助劑，氮化矽陶瓷的常溫斷裂韌性和強度得到明顯的改善，但高溫性能並不好。近年來的研究發現以稀土氧化物Y203和La203為添加劑，材料的力學性能大幅度提高，尤其是高溫斷裂韌性得到明顯改善。研究表明：Y2O3和La203的引入對氮化矽陶瓷中β一Si3N4，晶粒的生長行為有重要影響，從而影響了氮化矽陶瓷的結構和性能。選適當比例和含量的Y203和La2O3作添加劑，可得到軸比較大的β一Si3N4晶粒，這樣使氮化矽陶瓷產生了自增韌的效果。陶瓷屬脆性材料，一般不能用於結構件。為了克服其脆性。通常引入纖維、晶須等增強組份，但這就產生了不同形態的組份難以均勻分散，給製造工藝帶來困難。目前這一問題正是限制陶瓷料在高技術領域裏應用的關健。將稀土氧化物引入陶瓷粉未中，能夠在陶瓷燒結過程中產生原位增韌即自增韌的效果，恰好克服了上述引入纖維、晶須等帶來的製造上的困難。因此在陶瓷材料中引入稀土氧化物，將為陶瓷材料在高新技術領域裏開闊一個更為廣闊的應用前景。專用積體電路為適應作戰需要，必須抗輻射加固，提高可靠性，同時積體電路和電腦技術向更高電路密度和更快運算速度發展，均推動陶瓷材料基片及其封裝向更高性能和更精細工藝方向發展。作為基片材料，必須滿足低介電常數，高熱導率，高機械強度，與半導體晶片相匹配的熱膨脹係數。氮化鋁（AIN）多層基片與傳統的氧化鋁（A1203）基片相比，有較高的導熱率，適用于高功耗、高引線數和大尺寸晶片，成為近年來航空及軍工行業開發的重點。採用稀土氧化釔（Y203，）和氧化鈣混合添加劑，可以降低氮化鋁的燒結溫度，促進燒結。這種摻雜後的氮化鋁（AIN）陶瓷，導熱率260W／（m.K），適於高密度佈線，熱阻僅為同樣結構和相同引線數的氧化鋁封裝的1/4,這種基片已用於含1800個輸入／輸出頭的電腦系統的多層佈線陣列的封裝。

4.2　稀土永磁材料

稀土永磁材料是製備高性能微波功率管一行波管的關鍵材料。現代軍事通訊、雷達、導彈制導和電子戰都需要各種行波管，其特點是工作頻帶寬（2～18GHz），效率高（達50％）。海灣戰爭中美國使用的電子干擾設備、預警飛機、火控雷達、精密制導系統，都用了大量高性能寬頻大功率行波管，製造這些高功率行波管的關鍵是高磁能積、低溫度係數的稀土永磁材料。這材料對實現軍用電機的高效率、小型化和輕質化，以及促進軍用電腦性能的提高也是十分重要的。根據我國目前稀土永磁材料發展的實際情況，今後在航空航太領域裏稀土永磁材料研製開發的主要方向有：（1）高穩一性SmCo系永磁材料；（２）高工作溫度NdFeB系永磁材料；（3）快淬NdFeB磁粉及粘結NdFeB系永磁材料；（４）新型SmFeN系永磁材料；（５）低成本、高性能第四代稀土永磁材料。4．3稀土鋁合金航空用A1-Cu-Mg-Fe-Ni系耐熱鋁合金LD7和LD8的工作溫度不能超過270℃，Al-Cu-Mn系的LYI6或2021的工作溫度不能超過300℃，除了燒結鋁粉末外，還沒有可在350～400℃下工作的鋁合金。Sc能將鋁合金的再結晶溫度提高到450～550℃，共格沉澱相A13Sc特別是與Zr複合形成的A13（ScZr）的熱穩定性極高，在350℃或450℃長時間加熱時質點尺寸長大速度極慢，而且能長期保持共格性不破壞，是開發工作溫度大於350℃的耐熱鋁合金最有希望的合金元素。目前，航空用綜合性能最好的高強高韌鋁合金是A1-Zn-Mg-Cu-Zr系的7075、7150和7010，它用Zr代替了Mn和Cr，顯著提高了合金的淬透性，適於生產厚板（≥75mm）。但是，這類合金的鑄造性能極差，厚向強韌性還不夠高。若加入0．1～0．2％Sr與Zr形成共格沉澱相A13（ScZr），除了增加強度外，還能使再結晶溫度提高。A13Sc質點抑制合金的再結晶，得到未再結晶組織，起到亞結構強化的作用，能改善板材厚向的強韌性。經過充分時效，疲勞強度、斷裂韌性（K1c。）和抗應力腐蝕能力（SCR）得到明顯的提高，為火箭和飛行器開發出新一代超高強高韌鋁合金是完全有可能的。

4.4　稀土高溫合全

稀土元素對改善高溫合金的性能作用顯著。高溫合金用於航空發動機的熱端部件，但由於在高溫下抗氧化、耐腐蝕及強度的下降，使得航空發動機性能的進一步提高受到限制。近期的研究表明：鎳基合金中添加少量稀土後，提高了抗硫化性能及高溫強度和熱塑性。鈷基合金中加入0．1～0．2％釔、鎳基合金中加入銅或鈰，能使材料的耐腐蝕性能提高10倍。在鎳鉻合金中，稀土對提高合金的抗氧化性能有明顯的作用，如在Ni-30Cr合金中加0.3％Y；0.05％La和Ce，合金在1200℃和1300℃下的壽命分別為2970小時和613小時，而未加稀土同一鎳鉻合金，在上述溫度下，其壽命僅為1518小時和270小時。稀土元素對高技術新材料研究與發展有密切的關係，更深入地研究稀土元素在航空材料中的作用及其機理，稀土元素對性能變化的影響規律，從而更廣泛地探求新的航空材料，開發高技術產品乃是稀土材料研究者的歷史使命。近年來偏重於研究稀土對改善材料性能的作用，而對稀土的作用機理研究得不夠，為使稀土在材料中的應用建立在扎實的科學基礎上，為了開發更多更好的稀土金屬及非金屬新材料，必須就稀土對材料的改性機理進行系統深入的研究。結合我國豐富的稀土元素（La、Ce、Nd、Yb、Dy、Sc等），開展這些稀土與材料學的系統深入研究，旨在為有效合理利用各個稀土的特性開拓新的應用途徑，取得更多的稀土一材料專利，將我國稀土材料建立在自己的知識產權上。

航空稀土開發應用在“七五”、“八五”期間，通過稀土元素對新材料的作用及提高材料的應用功能，延長其使用壽命，提高經濟效益等方面做了許多工作。但在稀土材料的開發應用方面，在更好發揮航空稀土材料功能方面還遠沒有挖掘出巨大的潛力，仍需要我們繼續不懈的努力開發，更進一步的深入研究與應用。稀土作為我國在國際上的優勢產業，其國際市場的佔有率逐年提高，其地位也越來越重要。我們應該抓住機遇，加速稀土在航空工業的開發和應用。綜上所述，稀土元素有強化金屬材料，減少其雜質的有害影響、改變夾雜物的形態和分佈、提高抗腐蝕和抗氧化性能等作用。已經發展了許多航空用稀土鎂合金、鋁合金、鈦合金、高溫合金及功能材料，並在應用中取得了良好的技術經濟效益，但這些已取得的成就與稀土在航空材料發展中特殊作用及其潛在的用途相比，只能說是開發稀土的一個良好開端，這點成績與我們稀土大國的地位也極不相稱。為充分滿足國民經濟和高技術發展的需求，今後應該在航空稀土材料應用基礎理論和科研究成果的工程應用兩個方面加強研究，並加大投資力度，為稀土的深入開發，加速我國稀土材料發展，建立具有中國特色的材料科學及其工程應用體系，充分發揮我國稀土資源優勢。


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稀土助催化燃燒一臂之力 到目前為止，人類使用的燃燒都是火焰燃燒，火焰燃燒在人類進化和人類文明的發展中起著極其重要的作用。

但現代科學研究表明，火焰燃燒有兩大致命的缺點：(1)由於火焰燃燒實質上是燃燒物質（煤、油類物質，可燃性氣體等）的氧化反應，在燃燒過程中不可避免以可見光的形式釋放能量。這部分能量無法利用而損失掉，造成能量利用率低。(2)燃燒反應形成毒性很大的污染物，造成環境污染。隨著社會的發展與進步，電能的需求將會日益增加，無論用天然氣發電還是煤發電，若採用傳統的火焰燃燒法不但嚴重污染環境，而且由於燃燒不完全，大大降低了能效。我國每生產一噸工業產品所消耗的能量數倍于發達工業國家，傳統的火焰燃燒法熱效低，污染嚴重，制約了我國經濟的發展。

從根本上解決火焰燃燒的低效和高排放的途徑是催化燃燒。它具有高效節能和環境友好的雙重優點，是燃燒的理想方式和最高境界（從科學原理上看已無進一步改進的餘地）。未來所有的燃燒，包括煤、燃油和各種可燃性氣體（天然氣、石油氣、煤氣等）的燃燒都將是催化燃燒。這是人類科學發展和人類社會進步的必然結果。對於能源的優化利用，實現社會經濟的可持續發展和環境保護，意義極為重大。

稀土型高溫燃燒催化劑具有價格便宜、原料易得、工藝穩定、淨化效果好、使用壽命長等優點，在高溫催化燃燒中有一定的應用前景。發展稀土催化劑，開發研究國際先進的高溫催化燃燒技術，改善我國傳統的燃燒方式是符合我國國情和發展道路的，因此，加快高溫催化燃燒劑的研究與開發尤為重要。 稀土催化遭“雙刃劍” 產業化進程遇阻 催化燃燒對催化劑的基本要求是具有良好的低溫活性和高溫熱穩定性，這是互相矛盾的兩個指標，極具挑戰性。

目前國內外研究的催化劑均未能滿足此要求，主要包括兩類：一類是貴金屬催化劑，這類催化劑的活性和穩定性均好，但由於貴金屬價格太高，資源短缺，所以至今仍未產業化；另一類是非貴金屬催化劑，有大量的研究工作，主要集中在含稀土、堿土取代的鈣鈦礦型氧化物、六鋁酸鹽等催化劑的研究方面。 實驗結果表明，採用稀土燃燒催化劑能夠有高的熱效率和低的污染物排放，但催化劑的熱穩定性研究還有問題。目前國外剛剛進入催化燃燒器研究階段，離產業化還有一段距離，但發展趨勢是明顯的，即由催化劑向催化燃燒器和催化燃燒熱水器等方向發展。 環保呼聲日漸高漲 催化燃品前景誘人 隨著天然氣燃燒催化劑研究的逐漸深入，國外開展了天然氣催化燃燒器的研究，這將是天然氣催化燃燒推向實用的關鍵。

目前國內外廣泛使用的都是天然氣火焰燃燒爐。據國內貿易局和中華全國商業資訊中心提供的統計資料顯示，2001年市場需求量為1500多萬台，在2001－2005年將以30%以上幅度上升。但是，目前市場上銷售的火焰燃燒爐全部為熱利用率低且廢氣污染嚴重的“明火燃燒，廢氣直接排放”的產品，均未擺脫火焰燃燒熱效率低和污染嚴重的實質。

國內四川大學等機構在稀土儲氧材料，耐高溫高比表面材料和天然氣燃燒催化劑取得進展的基礎上，進行了天然氣催化爐和天然氣催化熱水器的研究，設計了天然氣催化燃燒爐用催化燃燒器。天然氣燃燒催化劑為整體式催化劑，基體為堇青石蜂窩陶瓷，催化劑塗層由高性能稀土儲氧材料、活性組分及助劑構成。結果表明，催化劑經由高溫老化後仍保持高活性，說明催化劑具有良好的穩定性。同時也顯示出與貴金屬催化劑類似的性能。以此催化劑製備的天然氣催化燃燒爐，熱效率為64％，並且基本上無污染物排放，比火焰燃燒爐節能16%，高於國家標準，顯示出催化燃燒高效節能和環境友好的雙重優點。消除了CO、NOx等廢氣污染，同時消除火焰燃燒熱水器隨使用時間的增加，CO濃度增加造成的安全隱患，是燃燒爐發展的理想狀態，必將取代熱效率低和污染物重的火焰燃燒爐。

此外，我國在西部開發中，西氣東輸的目的主要是解決沿途各大中城市因燃煤而造成的嚴重環境污染。其中天然氣作為民用燃料佔有很大的比例。所以，天然氣催化燃燒爐的市場前景是十分好的。天然氣催化燃燒爐和天然氣催化燃燒熱水器是高效節能和環境友好的高科技產品，若在近幾年內研製成功並順利投產，並在2008年前在北京等地率先推廣使用，將真正體現“科技、人文、綠色”奧運的宗旨，同時對於西部大開發也將起著極大的推動作用。


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