材料科学与工程前沿中期论文

稀土材料

姓名：牛刚学号：S2*******

稀土被称为工业“味精”，在材料的结构与功能改性方面具有非常重要的意义。稀土元素的4f轨道电子数目是稀土元素之间最明显的差异，正是4f轨道电子数目的差异引发了稀土材料之间的性能差异。纳米材料由于具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应等具有与其他材料完全不同的许多优良性能。

我国稀土产品主要应用于冶金机械、石油化工和玻璃陶瓷等传统领域，但功能材料在高新技术产业中的应用近年来备受关注，稀土在磁性材料、储氢材料、发光材料、催化材料等领域的应用增长迅速，其应用份额从1990年的13%增长到了2002年的30%。稀土功能材料在高新技术中的应用从70年代开始进入了高速发展阶段，应用和产业化开发的速度愈来愈快，一般以5年左右的周期出现一个震动世界的新成果，并迅速形成了高新技术产业。

1稀土磁性材料

1.1稀土永磁材料稀土永磁材料经历了3个阶段的发展，20世纪60年代发明了RECo5型第一代稀土永磁材料；70年代出现了RE2Co17型第二代稀土永磁材料，其磁能积有了较大提高，特别是温度稳定性好，但由于主要原料是Sm和Co，成本高，一般用于军工等特殊领域；第三代稀土永磁REFeB发明于80年代，是当今磁能积最高的永磁材料。近年来全世界NdFeB产量年均增长率达到25%，2003年我国NdFeB磁体的产量达到15000t左右，位居世界第一。但我国稀土永磁制备技术和磁体性能方面与国外比较还有不少差距，多数厂家的产品因磁体性能较低、一致性难以满足高档用户的要求，因此价格仅为国际市场的1/3~1/2，经济效益不尽人意。随着烧结NdFeB磁体应用领域的不断扩大，对其性能提出了越来越高的要求。因此，近几年来，国内外掀起了一股研发高性能烧结NdFeB磁体的热潮。西方国家大部分采用快冷厚带工艺制备高性能烧结NdFeB磁体。用该工艺生产的磁体磁能积高，性能稳定。国内许多单位都在加速开发此新工艺，北京有色金属研究总院稀土材料国家工程研究中心在国家科技部十五科技攻关项目的支持下，已经开发出了具有自主知识产权的快冷厚带制备工艺，并与设备厂家合作设计制造了一台300kg甩带炉，试运行效果良好，产品已基本达到国外用户要求，近年内将实现规模化生产。近年来，稀土永磁材料的研发主要集中在以下几个方面：(1)制备工艺和设备的改进；

(2)通过掺杂Co，Al和稀土Tb等提高矫顽力和改善温度稳定性；(3)通过纳米双相耦合技术提高永磁材料的性能；(4)稀土永磁薄膜材料和新型稀土永磁材料的开发。

据全国稀土永磁材料协作网预测，“十五”期间我国烧结NdFeB磁体总产量将达到50，000t，销售总额达到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%，销售额将达到260亿元。在未来10年内，我国将成为世界稀土永磁材料的制造中心。

1.2磁致伸缩材料磁致伸缩材料是在偏磁场和交变磁场同时作用下，发生同频率的机械形变的一种材料。与压电陶瓷(PZT)和传统的磁致伸缩材料Ni，Co相比，稀土超磁致

伸缩材料具有以下特点：(1)在室温下具有超大的磁致伸缩应变，应变量达1500~2000ppm，为压电陶瓷的几倍，Ni，Co等的几十倍；(2)能量密度高；(3)能量转换效率高，输出功率大；(4)响应速度快。在有源减震、精密机械控制、机械传动机构、燃油喷射系统、IT技术等领域有着广泛的应用前景。因它有卓越的低频性能，在水声中主要用于远距离目标探测，低频、大功率已成为现代主动声纳换能器的主攻方向。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，为此，GMM材料被美国等西方国家列为对中国禁运的功能材料。美国ETREMA公司已成为世界最大的稀土超磁致伸缩材料的制造商及供应者，其申请的专利覆盖了材料的成分、制备工艺及应用3个领域。继美国之后，日本、英国、瑞典等国家先后开展了此类材料及应用的研究，并且迅速形成了各自的特点和优势，在稀土超磁致伸缩领域占有了一席之地。

目前我国生产的稀土超磁致伸缩材料，在产品性能的一致性和稳定性，产品的成材率，特别是与器件设计和制造密切相关的低场性能及动态性能方面与西方先进国家相比，还存在较大差距，特别是在GMM薄膜及相关器件的应用方面远远落后于世界先进水平。

1.3磁制冷材料磁制冷使用无害、无污染的稀土材料作为制冷工质，室温磁制冷一般采用稀土金属Gd或Gd基材料。美国和日本在磁制冷材料、技术和装置的研究开发领域居领先水平，这些发达国家把磁制冷技术研究开发列为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，都想抢先占领这一高新技术领域。从目前美国室温磁制冷技术研究进展情况看，在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。

1.4稀土巨磁阻材料1988年由法国磁学物理学家Baibich发现了巨磁电阻效应，该效应是指材料的电阻率在磁场作用下存在显著变化的现象。目前具有GMR效应的材料主要有金属多层膜、颗粒膜、非连续多层膜以及氧化物超巨磁阻薄膜等几大类。开发GMR 效应大、磁场灵敏度高、饱和磁场低且性能稳定的GMR材料是目前研究开发的重点。1994年，美国的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。巨磁电阻(GMR)传感器由于其灵敏度高、热稳定性好而完全可取代霍尔及磁阻(AMR)元件，进而广泛应用在信息、电机、电子电力、能源管理、汽车、磁信息读写及工业自动控制等领域。

1998年，美国的IBM公司成功地把GMR效应应用在计算机硬盘驱动器上，研制出巨磁电阻(GMR)磁头。巨磁电阻(GMR)磁头的应用带动了计算机产业的迅速发展，打破了信息高速公路图像传递存储的瓶颈，目前存储密度已高达56GB/平方英寸。GMR磁头的世界市场总额已达400亿美元/年。我国将GMR效应的研究及应用开发列为我国将要重点发展的七个领域之一。中科院物理所、南京大学、北京有色金属研究总院、北京工业大学等单位开展了GMR材料的研究，GMR的研究在国内还局限于实验室的水平。深圳市华夏磁电子技术开发有限公司是国内唯一致力于磁性薄膜半导体集成(磁性芯片)之国产化的高科技企业，2002年开始生产自旋阀巨磁电阻传感器，而市场容量更大的磁头和MRAM 国内还不能生产。

2储氢合金贮氢合金是21世纪绿色能源领域中的战略性材料。电动汽车用大型动力镍氢电池组也取得突破性进展，北京有色金属研究总院研制的100Ah/120V的电池组经