【知识】稀土磁效应材料

稀土元素独特的物理化学性质，决定了它们具有极为广泛的用途。稀土元素具有独特的4f电子结构，大的原子磁距，很强的自旋轨道藕合等特性，与其它元素形成稀土配合物时，配位数可在3～12之间变化，并且稀土化合物的晶体结构也是多样化的。在新材料领域，稀土元素丰富的磁学、电学、热学、及光学特性得到了广泛应用。稀土磁效应材料是重要的一组稀土新材料，主要包括稀土永磁材料、稀土超磁致伸缩材料、稀土磁致冷材料、稀土巨磁电阻材料、稀土磁光存储材料等。

稀土永磁材料

磁性材料早在3000多年前就被人们所认识。公元前4世纪，我国就有了关于磁石吸铁的文字记载。作为我国古代四大发明之一的指南针，则是历史上对磁体最早的技术应用。尽管如此，直到上个世纪末，随着对物质磁性研究的深入和工艺技术水平的提高，永磁材料的应用和研究才可谓真正开始。

在历史上起过重要作用的永磁材料有碳钢、钨钢、钴钢、铁镍铝材料。1935年列宁格勒的科学家在《Nature》上发表一篇短文：Nd-Fe材料具有高于340kA/m4.27KOe矫顽力。从此，稀土永磁材料才逐渐被认识和发展。

1966年，美国学者k.j.Strant等人在实验室研制出BHmax=40kJ/M3约5.1MGOe的SmCo5粉末粘结永磁材料，成为第一代稀土永磁材料诞生的里程碑。1977年日本的T.Ojima等人利用粉末冶金法研制出BHmax=30MGOe的SmCoCuFeZr7.2永磁材料，达到当时实用永磁体磁能积的最高值，标志着第二代稀土永磁材料诞生。1983年，日本住友特殊金属公司的M.Sgawa等人用粉末冶金方法制备钕铁硼磁体的磁能积BHmax高达36.5MGOe和美国通用汽车GM公司宣布了以Nd2Fe14B相为基的实用磁体开发成功，标志第三代钕铁硼永磁材料诞生。

从1-5型1966年、2-17型1977年到2-14-1型1983年，仅用了17年时间，稀土永磁材料有了三次大飞跃。钕铁硼永磁材料是国家重点鼓励发展的高科技产业，高性能钕铁硼烧结磁体主要应用于微波通讯、计算机、航天、汽车、仪器仪表、医疗及生物等领域，具有十分广阔的市场前景。目前，全世界烧结钕铁硼永磁体的年平均增长率为25％，我国的钕铁硼企业充分利用稀土大国的资源优势，发展势头强劲，年平均增长率为40％以上。

稀土超磁致伸缩材料

材料在磁场作用下发生长度或体积的变化，这种现象称磁致伸缩。稀土超磁致伸缩材料是国外80年代末新开发的新型功能材料，主要是指稀土－铁系金属间化合物。这类材料具有比铁、镍等大得多的磁致伸缩值，其磁致伸缩系数比一般磁致伸缩材料高约100～1000倍，因此被称为稀土超磁致伸缩材料。特别是上世纪70年代才发现的铽镝铁磁致伸缩材料（Terfenol-D）的研制成功，实现磁?电能－机械能的高效转换，对尖端技术、军事技术的发展及传统产业的现代化产生了重要作用，开辟了磁致伸缩材料的新时代。稀土超磁致伸缩材料开始主要用于声纳，目前已广泛应用于致动器、石油、高能微型功率源、换能器、卫星定位系统、智能电喷阀、微型助听器、超声洗衣机、医疗器械、传感器、阀门控制、精密车床、机器人、蠕动马达、阻尼减振、延迟器、太空望远镜的调节机构和飞机机翼调节器等，是军民两用高附加值的稀土功能材料，具有广阔的市场前景。

美国边缘技术EdgeTechnologies公司1989年开始生产稀土超磁致伸缩材料，其商品牌号为Terfenol-D，随后瑞典FeredynAB公司也生产、销售稀土超磁致伸缩材料，产品牌号为Magmeg86。近10多年来，日本、俄罗斯、英国和澳大利亚等也相继研究开发出TbDyFe2型磁致伸缩材料，并有少量产品销售。据美国前沿技术公司统计，全世界Terfenol-D材料产量，1989年仅为100千克，1993年约1000千克，1995年达到10吨，而到1997年已达到70吨。美国国内每年用于声纳等器件的Terfenol-D材料价值约数百万到1000万美元，声纳、油压机、机器人等器件的市场金额每年约6亿美元。最近５年来，Terfenol-D的市场年增长率为100％。我国在上世纪90年代初北京有色金属研究总院、中国科学院物理所、包头稀土研究院、北京科技大学、北京钢铁研究总院等开始稀土超磁致伸缩材料的研究，实验室达到较先进水平。在器件研究方面，GMM的应用研究已列入国防科工委的“九五”攻关项目，近1至2年器件应用研究方面进展很快，推动稀土超磁致伸缩材料产业的发展。北京有色金属研究总院采用直拉工艺制备的铽镝铁TbDyFe2的磁致伸缩系数高达1600ppm，并已成功研发熔炼、浇铸、定向凝固、热处理在同一台设备实现的一步法新工艺，特别适用于制备大直径?Φ50ｍｍ～Φ70mm、多规格的稀土超磁致伸缩材料。

稀土磁致冷材料

磁致冷材料是用于磁致冷系统的具有磁热效应的物质。磁致冷首先是给材料加磁场，使磁矩按磁场方向整齐排列、磁熵变小，然后再撤去磁场，使磁矩的方向变得杂乱、磁熵变大，这时材料从周围吸收热量，通过热交换使周围环境的温度降低，达到致冷的目的。


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