稀土永磁材料的发展方向

1稀土磁材料的发展方向摘要：稀土永磁材料是一种重要的磁性功能材料，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,我国已成为全球稀土永磁材料生产,应用和市场发展中心。关键词：稀土、磁体、发展、方向1引言稀土由于其独特的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。根据磁力的不同对象和作用原理，可将永磁材料用于不同的领域。永磁材料的应用十分普遍，小到儿童玩具、文件夹，大到人造卫星、宇宙飞船、磁悬浮列车；当然，在具体的应用中，材料成本也是一个必须考虑的重要因素。从这点来看，开发高性能和低价格的材料，始终是永磁材料研发人员努力的方向。2稀土超磁致伸缩材料[1]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）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(0.68≤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，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。3稀土永磁材料与节能[2]在当今电气化、电子信息化时代，电动机的使用日益广泛，能源消耗日益增大，从高效节能，防止地球变暖、保护臭氧层这种环境保护的全局来看，革新电动机已势在必行。而革新的主攻方向，就是使用永磁体提高能量转换效率——输出功率，降低工作过程中的损耗。如果使用永磁体产生磁场(作转子)，不使用电刷整流子，即构成永磁电动机(无刷电动机)，其损耗就只有电枢绕组的铜损、电枢铁心的铁损和机械损耗。因此，有刷电动机特有的电刷损耗，有刷电动机和感应电动机中由初级电流励磁引起的次级铜损，都可以消除，从而会大大提高电动机的效率。输出功率在10W以下的永磁电动机，普遍用于声像装置和信息家电产品。它们的转矩，在电动机规格一定时与永磁体产生的磁通量和导体在绕线槽内的占空系数平方成正比[1]。它们在电子设备中消耗的电力最多，因此，在器件小型化的同时，要求提高输出功率，降低电流消耗。为此，需要在永磁体和电枢铁心的空隙内产生很强的静磁场。轴向气隙型电动机，普遍用中空的圆盘型稀土烧结永磁；辐向气隙型，则使用薄壁环形稀土粘结永磁体。为了降低轴向气隙型电动机消耗的电流，应当使用高磁能积的烧结永磁体。电机永磁化是一个发展趋势。随着高性能永磁材料的开发成功和实用化，永磁电机也随之迅速发展起来。高性能永磁体不仅在2改造传统电动机中发挥了重要作用，而且在扩大电动机品种，开发新型电动机，如步进电动机、直线电动机等方面，做出了新的贡献。4稀土庞磁阻材料[3]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1.27×105%[8]，Nd0.7Sr0.3MnO3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。5稀土磁泡存储材料[4]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。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。6稀土磁热材料[5]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,HoAl2和(HoDy)Al2复合材料的致冷工作温度是15～77K。(GdEr)Al2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],Dy0.5Er0.5Al2[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。7稀土磁性材料前景看好[6]专家认为，以下稀土功能材料对稀土应用量较大、发展前景十分看好。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。3稀土超磁致伸缩材料，此种材料可有效地提高国防、航天、航空等领域技术装备水平，ＧＭＭ材料被美国等西方国家列为对中国禁运的功能材料。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，之后将进一步开发家用空调和电冰箱等磁制冷装置。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效应的研究及应用开发列为我国重点攻关的七个高科技领域之一。稀土贮氢合金材料，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。8结语：稀土永磁材料在能源、交通、机械、医疗、计算机、家电等领域得到广泛应用，大力开发新型稀土永磁材料有利于将我国资源优势转化为产业优势，能带动高新技术产业及相关行业的迅猛发展，给国民经济带来新的增长点，是市场前景好、应用潜力大的朝阳产业。参考文献[1]徐惠明.永磁电机的发展[J].船电技术，2002，（2）：19—21[2]马昌贵,永磁材料的应用及其新进展,金属功能材料,2003,10(1),2.[3]张守民,NdFeB稀土永磁材料研究进展,稀土,2001,22(1),2.[3]毛建平,铷铁硼稀土永磁材料及其研究进展[J],材料工程,1996,(3):47～49.[4]SkomskiR，CoeyJMD．Giantenergyproductinnanostructuredtwophasemagnets．PhysRevB，1993，48:15812～15816.[5]王尔德,石刚,郭斌,胡连喜,稀土永磁材料研究新进展,粉末冶金技术,2005,23(1),2.[6]林河成1中国稀土永磁材料的发展现状[J].矿业快报,2006,(10):1～4;(11):124.