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稀土元素獨特的物理化學(xué)性質(zhì)，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(jié)構(gòu)，大的原子磁距，很強(qiáng)的自旋軌道藕合等特性，與其它元素形成稀土配合物時，配位數(shù)可在3～12之間變化，并且稀土化合物的晶體結(jié)構(gòu)也是多樣化的。在新材料領(lǐng)域，稀土元素豐富的磁學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、及光學(xué)特性得到了廣泛應(yīng)用。稀土磁效應(yīng)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(rèn)識。公元前4世紀(jì)，我國就有了關(guān)于磁石吸鐵的文字記載。作為我國古代四大發(fā)明之一的指南針，則是歷史上對磁體最早的技術(shù)應(yīng)用。盡管如此，直到上個世紀(jì)末，隨著對物質(zhì)磁性研究的深入和工藝技術(shù)水平的提高，永磁材料的應(yīng)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(xué)家在《Nature》上發(fā)表一篇短文：Nd-Fe材料具有高于340kA/m4.27KOe矯頑力。從此，稀土永磁材料才逐漸被認(rèn)識和發(fā)展。
1966年，美國學(xué)者k.j.Strant等人在實驗室研制出BHmax=40kJ/M3約5.1MGOe的SmCo5粉末粘結(jié)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制出BHmax=30MGOe的SmCoCuFeZr7.2永磁材料，達(dá)到當(dāng)時實用永磁體磁能積的最高值，標(biāo)志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制備釹鐵硼磁體的磁能積BHmax高達(dá)36.5MGOe和美國通用汽車GM公司宣布了以Nd2Fe14B相為基的實用磁體開發(fā)成功，標(biāo)志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(fā)展的高科技產(chǎn)業(yè)，高性能釹鐵硼燒結(jié)磁體主要應(yīng)用于微波通訊、計算機(jī)、航天、汽車、儀器儀表、醫(yī)療及生物等領(lǐng)域，具有十分廣闊的市場前景。目前，全世界燒結(jié)釹鐵硼永磁體的年平均增長率為25％，我國的釹鐵硼企業(yè)充分利用稀土大國的資源優(yōu)勢，發(fā)展勢頭強(qiáng)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(fā)生長度或體積的變化，這種現(xiàn)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(fā)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，其磁致伸縮系數(shù)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(jì)70年代才發(fā)現(xiàn)的鋱鏑鐵磁致伸縮材料（Terfenol-D）的研制成功，實現(xiàn)磁?電能－機(jī)械能的高效轉(zhuǎn)換，對尖端技術(shù)、軍事技術(shù)的發(fā)展及傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)代化產(chǎn)生了重要作用，開辟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于聲納，目前已廣泛應(yīng)用于致動器、石油、高能微型功率源、換能器、衛(wèi)星定位系統(tǒng)、智能電噴閥、微型助聽器、超聲洗衣機(jī)、醫(yī)療器械、傳感器、閥門控制、精密車床、機(jī)器人、蠕動馬達(dá)、阻尼減振、延遲器、太空望遠(yuǎn)鏡的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和飛機(jī)機(jī)翼調(diào)節(jié)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(shù)EdgeTechnologies公司1989年開始生產(chǎn)稀土超磁致伸縮材料，其商品牌號為Terfenol-D，隨后瑞典FeredynAB公司也生產(chǎn)、銷售稀土超磁致伸縮材料，產(chǎn)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(fā)出TbDyFe2型磁致伸縮材料，并有少量產(chǎn)品銷售。據(jù)美國前沿技術(shù)公司統(tǒng)計，全世界Terfenol-D材料產(chǎn)量，1989年僅為100千克，1993年約1000千克，1995年達(dá)到10噸，而到1997年已達(dá)到70噸。美國國內(nèi)每年用于聲納等器件的Terfenol-D材料價值約數(shù)百萬到1000萬美元，聲納、油壓機(jī)、機(jī)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(jì)90年代初北京有色金屬研究總院、中國科學(xué)院物理所、包頭稀土研究院、北京科技大學(xué)、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(dá)到較先進(jìn)水平。在器件研究方面，GMM的應(yīng)用研究已列入國防科工委的“九五”攻關(guān)項目，近1至2年器件應(yīng)用研究方面進(jìn)展很快，推動稀土超磁致伸縮材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。北京有色金屬研究總院采用直拉工藝制備的鋱鏑鐵TbDyFe2的磁致伸縮系數(shù)高達(dá)1600ppm，并已成功研發(fā)熔煉、澆鑄、定向凝固、熱處理在同一臺設(shè)備實現(xiàn)的一步法新工藝，特別適用于制備大直徑?Φ50ｍｍ～Φ70mm、多規(guī)格的稀土超磁致伸縮材料。
稀土磁致冷材料
磁致冷材料是用于磁致冷系統(tǒng)的具有磁熱效應(yīng)的物質(zhì)。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，然后再撤去磁場，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(huán)境的溫度降低，達(dá)到致冷的目的。磁致冷材料是磁致冷機(jī)的核心部分，即一般稱謂的制冷劑或制冷工質(zhì)。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采用稀土金屬Gd或Gd基材料。這種材料有Gd3Ga5O12GGG石榴石，GGG還可用作磁泡存儲器晶體材料Dy:Al5O12 DAG石榴石等。其它材料還有Dy2Ti2O7、Dy2Ti2O7、Gd3Al5O12、GdOH3、Gd2PO33和DyPO4等。目前一種新型磁致冷材料Gd5Si4Ge2已被開發(fā)出來，其優(yōu)點是磁熱效應(yīng)大，且使用溫度可以從30k左右調(diào)整到290k。美國已成功開發(fā)出第一臺室溫磁致冷樣機(jī)。用磁致冷材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)制冷劑，不僅可以減少環(huán)境污染，還可以節(jié)約電能，且致冷材料可以重復(fù)使用。另外，在超導(dǎo)研究中，需用液氦冷卻超導(dǎo)體，氦價格昂貴，磁致冷機(jī)可用于液化蒸發(fā)的液氦，減少氦的損失。也許有一天冰箱和空調(diào)機(jī)中也會采用磁致冷機(jī)。低溫磁致冷裝置具有小型化和高效率等獨特優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于低溫物理、磁共振成像儀、粒子加速器、空間技術(shù)、遠(yuǎn)紅外探測及微波接收等領(lǐng)域，某些特殊用途的電子系統(tǒng)在低溫環(huán)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(huán)境污染的稀土材料作為制冷工質(zhì)，若取代目前使用氟里昂制冷劑的冷凍機(jī)、電冰箱、冰柜及空調(diào)器等，可以消除由于生產(chǎn)和使用氟里昂類制冷劑所造成的環(huán)境污染和大氣臭氧層的破壞，因而能保護(hù)人類的生存環(huán)境，具有顯著的環(huán)境和社會效益。
1984年80多個國家參加簽署的《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》規(guī)定，為了防止生產(chǎn)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制冷劑，我國于1991年6月加入這個國際公約并作出規(guī)定，到2010年我國將禁止生產(chǎn)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(fā)無害的新型制冷劑或不使用氟里昂制冷劑的其它類型制冷技術(shù)。迄今，在有關(guān)這方面的研究開發(fā)中，發(fā)現(xiàn)磁致冷是制冷效率高，能量消耗低，無污染的制冷方法之一。從目前美國室溫磁致冷技術(shù)研究進(jìn)展情況看，在3到5年內(nèi)，室溫磁致冷技術(shù)有可能在汽車空調(diào)系統(tǒng)中得到實際應(yīng)用之后，并將進(jìn)一步開發(fā)家用空調(diào)和電冰箱等磁致冷裝置。目前，磁致冷材料、技術(shù)和裝置的研究開發(fā)，美國和日本居領(lǐng)先水平，這些發(fā)達(dá)國家都把磁致冷技術(shù)研究開發(fā)列為本世紀(jì)末21世紀(jì)初的重點攻關(guān)項目，投入了大量資金、人力和物力，競爭極為激烈，都想搶先占領(lǐng)這一高新技術(shù)領(lǐng)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二元或多元復(fù)合顆粒鑲嵌薄膜、Fe/Al2O3/Fe隧道結(jié)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為堿土金屬。1993年，英國Helemolt等人首先在La2/3Ba1/3MnO3薄膜中觀察到GMR效應(yīng)，并提出了一系列物理與材料的基礎(chǔ)和技術(shù)難題，在全球范圍內(nèi)迅速形成了研究錳氧化物GMR效應(yīng)的熱潮。1995年，熊光成等人在美國Maryland大學(xué)發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦型錳氧化物Nd-Sr-Mn-O中在77Ｋ、外場8T時，GMR值達(dá)到創(chuàng)記錄的106%。但該效應(yīng)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(yīng)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(guān)鍵。稀土巨磁電阻材料作磁性“讀寫頭”，可望將計算機(jī)的硬盤容量擴(kuò)大20倍，每平方英寸達(dá)100億個數(shù)據(jù)點。稀土巨磁電阻材料應(yīng)用前景廣闊，如巨磁電阻傳感器速度、加速度、角度、轉(zhuǎn)速傳感器、高密度和超高密度磁記錄讀磁頭、隨機(jī)存儲器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(jì)50年代就開始了。1957年英國Williams等人研究使用MnBi薄膜磁化并用光讀取數(shù)據(jù)，從此開展了磁光存儲的研究。特別是1973年，日本櫻井等人發(fā)現(xiàn)的稀土－過渡族金屬非晶態(tài)膜GdCo作為磁光存儲材料是有前途的，以此為契機(jī)推動了磁光存儲材料的飛速發(fā)展。加上半導(dǎo)體激光、制膜等周邊技術(shù)的發(fā)展，大大推進(jìn)了磁光存儲技術(shù)發(fā)展。10多年來，日、美、德等發(fā)達(dá)國家投入了大量的人力、物力，竟相研發(fā)磁光記錄材料、技術(shù)和裝置。稀土磁光存儲材料是稀土與過渡金屬的非晶態(tài)薄膜RE-TM,RE＝Gd、Tb、Dy，TM=Fe,Co；RE-TM非晶態(tài)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(tài)故反射均勻、信噪比高、信號質(zhì)量好；室溫矯頑力大10KOe，信號不易損壞，可靠性高；居里溫度可調(diào)整到100℃左右，寫入溫度低。這種材料被用作磁光盤MO，可隨機(jī)讀寫信息，容量極大?可達(dá)2.6GB，讀寫速度快。磁光存儲材料在信息時代發(fā)揮著重要作用。日本于1988年研制成功第一代磁光盤并投放市場，1995生產(chǎn)的5.25英寸磁光盤雙面存儲容量達(dá)到1000ＭＢ。磁光盤兼具有磁盤和光盤兩者優(yōu)點，即可以直接重寫作業(yè)、容量大、壽命長。在強(qiáng)大的市場驅(qū)動下磁光盤已經(jīng)完成了第一代180MB、第二代230ＭＢ的歷程，第三代磁光盤640MB已經(jīng)工業(yè)化生產(chǎn)并廣泛應(yīng)用，目前已經(jīng)進(jìn)入了第四代1300MB的研發(fā)階段。磁光盤主要用于大容量數(shù)據(jù)存取、廣告、娛樂業(yè)等。5.25英寸磁光盤逐漸淘汰，3.5英寸磁光盤為主流，2.5英寸磁光盤為家庭數(shù)碼電器?數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)等?主流。用GdFeCo、TbFeCo、TbFeCoAl等金屬間化合物薄膜制成光盤，探找可實現(xiàn)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盤高新技術(shù)研發(fā)。
中科院上海冶金研究所和成都電子科技大學(xué)等單位于1991年和1992年研制成功可直接重寫的磁光盤。我國惟一年產(chǎn)40萬張磁光盤640ＭＢ生產(chǎn)線已于1996年8月在成都電子科技大學(xué)四川天極實業(yè)有限公司建成投產(chǎn)。我國稀土磁光盤研究與生產(chǎn)和發(fā)達(dá)國家相比，差距很大，迫切需要開展稀土磁光靶材及磁光盤研究。
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