稀土磁性材料

稀土磁性材料

稀土磁性材料

1、稀土永磁材料

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。表1列出了各类稀土永磁体与传统的铁氧体、铝镍钴永磁体的磁性能，显然稀土永磁体比传统永磁体具有高得多的磁性能。

表1 各类永磁体的磁性能

永磁体最大磁能积（MGOe）备注

铁氧体 4.6

铝镍钴11

SmCo522

Sm2(Co,Cu,Fe,Zr)1732

Nd2Fe14B 56 理论值64

Sm2(Fe,Co)17N346.5[1] 理论值62

纳米晶双相稀土永磁体25[2] 理论值120[2]

稀土永磁体中，钕铁硼的磁能积最高，但它的居里温度低，工作温度低，温度系数高。虽然现在已开发出工作温度达到200℃的钕铁硼，但在许多地方还是不能替代工作温度高，温度系数低的钐钴永磁。

现已开发出工作温度可达400℃、500℃的Sm2(Co,Cu,Fe,Er)17磁体[3]。10年前发明的稀土—铁—氮永磁材料，理论磁能积与钕铁硼接近，但居里温度高，温度系数小，耐腐蚀性能好，与粘结磁体中使用的快淬钕铁硼相比，具有很强的竞争力。其中的NdFe12N x永磁是我国科学家杨应昌院士发明的[4]，其NdFe12N x 实验室样品的磁能积已达到22MGOe，超过MQ-2钕铁硼磁粉。

纳米晶双相交换耦合稀土永磁材料是高磁晶各向异性的稀土永磁相与高饱和磁化强度的软磁相在纳米尺度内交换耦合而获得兼具二者优点的复合永磁材料，理论计算表明，纳米稀土复合永磁体的最大磁能积远远超过钕铁硼，如表2所示。

表2 纳米双相稀土永磁体的理论磁能积

永磁体最大磁能积（MGOe）

Nd2Fe14B+α-Fe 100

Sm2Fe17N3+α-Fe 110

Sm2Fe17N3+Fe65Co35 120

目前，实验结果已证明交换耦合的存在，但实际达到的磁能积远低于理论值，如Nd7Fe89B4和Sm7Fe93N的磁能积分别达到20.6和25MGOe[2]，“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索”，最大磁能积超过100MGOe的稀土新一代磁体，乃是科技工作者的努力方向。

科学技术是第一生产力。最近有报道，日本三荣化成用新技术研究开发出磁能积破记录的各类稀土永磁体[5]，如表3所示。

表3 三荣化成开发的稀土永磁体

永磁体最大磁能积（MGOe）

稀土永磁体69.5

烧结钕铁硼54.7

注射成型钕铁硼粘结磁体17.9

压制成型钕铁硼粘结磁体24.9

稀土永磁在VCM（音圈电机），MRI（磁共振），永磁电机（汽车电机，步进电机，微型电机等），计算机主机及外设，办公自动化设备（复印机、传真机、手机、视频及程会议系统等），空调，冰箱，数码相机，音响，磁力器械，智能公路等各个领域有着广泛的应用。钕铁硼永磁自83年问世以来的18年中一直保持着年均增长30%以上的发展速度，这是值得关注和倾注力量的高技术产品。

2、其他稀土磁性材料

2.1、稀土超磁致伸缩材料

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-x Dy x）Fe2, (Tb1-x Ho x)Fe2, (Sm1-x Dy x)Fe2, (Sm1-x Ho x)Fe2, (Tb1-x-y Dy x Ho y Fe2)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-x Dy x Fe2(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。

2.2、磁光材料

一些稀土元素掺入光学玻璃化合物晶体、合金薄膜等光学材料之中，会显现出强磁光效应。磁光的应用涉猎激光，光电子学、光信息、激光陀螺、磁光盘等许多新技术领域。随着稀土磁光材料研究开发和应用向深度和广度发展，不断涌现出各种新的磁光器件。

以YIG（钇铁石榴石）单晶片，或掺Bi的稀土石榴石（如（TmBi）3(FeGa)5O12）单晶薄膜作为磁光介质可制成不同波长的磁光调制器。磁光调制器有广泛的应用，可用于红外检测器的斩波器、红外辐射高温计，高灵敏度偏振计，测距装置等各种光学检测和传输系统中。

以稀土铋铁石榴石单晶薄膜为磁光介质可制成磁光传感器，用来检测磁场或电流的强弱及状态的变化，可用于高压网络的检测和监控，用于精密测量和遥控，遥测及自动控制系统。

以YIG为磁光介质制成的磁光隔离器，能使正向传输的光无阻挡地能通过，而将来自激光源等的杂散光全部阻档。

用稀土—铁族金属如Tb-Fe-Co非晶态薄膜作磁光存储介质可制成可读写的磁光盘。磁光盘兼有磁存贮的可擦写，重现和光存贮的高密度，非接触，长寿命的优点。利用近场光学原理实施磁光纳米存储[6，7]，存储密度大辐度提高，可达到100Gb/in2。

2.3、庞磁阻（Colossal MagnetoResistance CMR）材料

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-x T x MnO3 (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。

2.4、磁泡（Magnetic Bubble）存储材料

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。

2.5、磁热材料

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