【知識】稀土磁效應材料

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。


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