稀土磁性材料.doc

1、稀土磁性材料稀土磁性材料1、稀土永磁材料稀土由于其獨特的4f電子層結構，可以在一些與3d元素化合物組合成的晶體結構中形成單軸磁各向異性，而具有十分優(yōu)異的超常磁性能。表1 列出了各類稀土永磁體與傳統(tǒng)的鐵氧體、鋁鎳鈷永磁體的磁性能，顯然稀土永磁體比傳統(tǒng)永磁體具有高得多的磁性能。表 1各類永磁體的磁性能永磁體最大磁能積（ MGOe ）備注鐵氧體4.6鋁鎳鈷11SmCo522Sm2(Co,Cu,Fe,Zr) 1732Nd Fe B56理論值 64214Sm2(Fe,Co)17N346.51理論值 62納米晶雙相稀土永磁體252理論值 1202稀土永磁體中，釹鐵硼的磁能積最高，但它的居里溫度低，工作溫度

2、低，溫度系數高。 雖然現在已開發(fā)出工作溫度達到 200的釹鐵硼， 但在許多地方還是不能替代工作溫度高，溫度系數低的釤鈷永磁。現已開發(fā)出工作溫度可達 400、 500的 Sm2(Co,Cu,Fe,Er) 17 磁體 3。 10 年前發(fā)明的稀土鐵氮永磁材料，理論磁能積與釹鐵硼接近，但居里溫度高，溫度系數小，耐腐蝕性能好，與粘結磁體中使用的快淬釹鐵硼相比，具有很強的競爭力。其中的 NdFe 12Nx 永磁是我國科學家楊應昌院士發(fā)明的4 ，其 NdFe12N x實驗室樣品的磁能積已達到22MGOe ，超過 MQ-2 釹鐵硼磁粉。納米晶雙相交換耦合稀土永磁材料是高磁晶各向異性的稀土永磁相與高飽和磁化強度

3、的軟磁相在納米尺度內交換耦合而獲得兼具二者優(yōu)點的復合永磁材料，理論計算表明，納米稀土復合永磁體的最大磁能積遠遠超過釹鐵硼，如表2所示。表 2納米雙相稀土永磁體的理論磁能積永磁體最大磁能積（ MGOe ）Nd 2Fe14B+ -Fe100Sm2Fe17N3+-Fe110Sm2Fe17N3+Fe65Co35120目前，實驗結果已證明交換耦合的存在，但實際達到的磁能積遠低于理論值，如 Nd FeB 和 Sm Fe N 的磁能積分別達到20.6 和 25MGOe2，“路漫漫7894793其修遠兮，吾將上下而求索” ，最大磁能積超過100MGOe 的稀土新一代磁體，乃是科技工作者的努力方向。科學技術是第

4、一生產力。最近有報道，日本三榮化成用新技術研究開發(fā)出磁能積破記錄的各類稀土永磁體5 ，如表 3 所示。表 3三榮化成開發(fā)的稀土永磁體永磁體最大磁能積（ MGOe ）稀土永磁體69.5燒結釹鐵硼54.7注射成型釹鐵硼粘結磁體17.9壓制成型釹鐵硼粘結磁體24.9稀土永磁在 VCM （音圈電機），MRI （磁共振），永磁電機（汽車電機，步進電機，微型電機等），計算機主機及外設，辦公自動化設備（復印機、傳真機、手機、視頻及程會議系統(tǒng)等） ，空調，冰箱，數碼相機，音響，磁力器械，智能公路等各個領域有著廣泛的應用。釹鐵硼永磁自 83 年問世以來的 18 年中一直保持著年均增長 30% 以上的發(fā)展速度，

5、這是值得關注和傾注力量的高技術產品。2、其他稀土磁性材料2.1、稀土超磁致伸縮材料一些稀土元素與 Fe 形成的金屬間化合物 REFe2 具有比 Fe 及 Fe,Ni,Co 合金等傳統(tǒng)材料大得多（高幾十倍） 的磁致伸縮系數。但是， REFe2 的磁晶各向異性能相當大，這使得達到材料的飽和磁化狀態(tài)所需的外磁場相當高。為此把磁晶各向異性常數 K 值反向的兩種 REFe2 材料組合起來，而形成贗二元化合物，如（Tb 1-xDy x）Fe2 , (Tb 1-x Hox)Fe2 , (Sm1-x Dy x)Fe2, (Sm1-xHo x)Fe2 , (Tb 1-x-y Dy xHo yFe2) 等， K

6、值大為降低，從而降低飽和磁化所需外場，給實用以方便。這些化合物中以 Tb 1-xDy xFe2(0.68x0.73)的值最大，常稱為 Terfenol-D 。這些材料的應用特性正隨應用的開發(fā)和發(fā)展而不斷發(fā)展。稀土超磁致伸縮材料的電機械能轉換功能遠優(yōu)于其他材料：它的應變值最高，能量密度最大，響應快，精度高，可靠性高而運轉能力大，可用于小型和微型大功率精密控制換能器，如大功率發(fā)射型聲納，大功率超聲換能器，微型大功率低頻電聲設備，精密定位系統(tǒng)，傳感器等，在軍事，航天航空、海洋、地質、石油、化工、制造自動化、計算機、光通訊等領域已經獲得應用。2.2、磁光材料一些稀土元素摻入光學玻璃化合物晶體、合金薄膜

7、等光學材料之中，會顯現出強磁光效應。磁光的應用涉獵激光，光電子學、光信息、激光陀螺、磁光盤等許多新技術領域。隨著稀土磁光材料研究開發(fā)和應用向深度和廣度發(fā)展，不斷涌現出各種新的磁光器件。以 YIG（釔鐵石榴石）單晶片，或摻 Bi 的稀土石榴石（如（TmBi ）3(FeGa)5O12）單晶薄膜作為磁光介質可制成不同波長的磁光調制器。磁光調制器有廣泛的應用，可用于紅外檢測器的斬波器、紅外輻射高溫計，高靈敏度偏振計，測距裝置等各種光學檢測和傳輸系統(tǒng)中。以稀土鉍鐵石榴石單晶薄膜為磁光介質可制成磁光傳感器，用來檢測磁場或電流的強弱及狀態(tài)的變化，可用于高壓網絡的檢測和監(jiān)控，用于精密測量和遙控，遙測及自動控制

8、系統(tǒng)。以 YIG 為磁光介質制成的磁光隔離器， 能使正向傳輸的光無阻擋地能通過，而將來自激光源等的雜散光全部阻檔。用稀土鐵族金屬如 Tb-Fe-Co 非晶態(tài)薄膜作磁光存儲介質可制成可讀寫的磁光盤。磁光盤兼有磁存貯的可擦寫，重現和光存貯的高密度，非接觸，長壽命的優(yōu)點。利用近場光學原理實施磁光納米存儲 6， 7，存儲密度大輻度提高，可達到 100Gb/in 2。2.3、龐磁阻（ Colossal MagnetoResistance CMR ）材料稀土錳化物 REMnO 3 具有鈣鈦礦型晶體結構，一般為非導體，反鐵磁性，稀土RE 被二價堿土金屬部份取代后形成的摻雜稀土錳氧化物RE 1-xT xMnO

9、 3(RE=La,Pr,Nd,Sm,T=Ca,Sr,Ba,Pb) 在一定溫度范圍內外加磁場可使其反鐵磁性（或順磁性）轉換為鐵磁性， 磁電阻發(fā)生巨大的變化， 如 La .67Ca.33MnO 3 在 77K時加入 4800KA/m 磁場后，磁阻變化率達 1.27 105% 8 ，Nd 0.7Sr0.3MnO 3 在 60K 時加入 6400KA/m 磁場后，磁阻變化率達 106% 9 ，由此它在磁器件，如磁頭，磁傳感器，磁開關，磁記錄及磁電子學等方面，具有巨大的應用前景。用巨磁阻（ GMR ）材料制成的讀出磁頭，其磁盤的存儲密度比MR 讀出磁頭磁盤的存儲密度提高了一個數量級，記錄密度達到10Gb

10、/in 2 以上。2.4、磁泡（ Magnetic Bubble ）存儲材料磁泡是一種園柱形磁疇，在外磁場作用下可以移動。磁泡的有無表示“1”和“ 0”兩種信息，用來制作外部信息存儲器。磁泡存儲器因無機械部件，完全固體化而可靠性高，且具有非易失性，抗輻照等特點。在軍事，航天等有較多應用。稀土石榴石薄膜是制作磁泡存儲器的良好材料，它用外延方法生長在釓鎵石榴石（ GGG ）單晶襯底上。稀土元素通常用 Y 3+, La 3+, Gd 3+, Sm3+, Eu 3+, Er 3+, Tm 3+, Yb 3+, Lu 3+。利用磁泡疇壁中的布洛赫線可制成存儲密度高（ 6Gb/in 2）和運算速度快的布洛

11、赫線存儲器。2.5、磁熱材料磁熱效應是通過磁場使體系磁熵發(fā)生變化，從而在絕熱條件產生溫度變化，可用于致冷。在居里溫度Tc 材料的磁結構發(fā)生突變，磁熱效應最顯著，磁致冷的效率最高。釓鎵石榴石（ GGG ）的居里溫度在1K 左右，因釓的磁矩大，因此居里溫度下的磁熵變化大，致冷效率也高，可用作低溫冷凍機的致冷工質。鏑鋁石榴石（ DAG ）的居里溫度在20K 左右，可作為20K 附近溫度的低溫冷凍機工質。ErAl 2, HoAl 2 和(HoDy)Al 2 復合材料的致冷工作溫度是 1577K 。 (GdEr)Al 2 復合材料磁矩大，居里溫度范圍大，致冷工作溫度可在 15 164K內連續(xù)變化。在 G

12、GG 中添加釔，則可使居里溫度更低，這樣可得到更低的溫度。一些稀土金屬（如金屬釓） 或稀土金屬間化合物 （如 Gd 6Fe2310, Dy0.5Er 0.5Al 2 11）的居里溫度是在室溫附近。因此室溫磁致冷機就成為可能。美國心用稀土磁熱材料在7 特斯拉的磁場下， 一次循環(huán)的溫度變化為國 Ames 實驗室使用 Gd 5Si2Ge2 作為致冷工質，磁熵變化比Gd室溫磁致冷，正一步步走向實用化。Lewis 研究中14 度。97 年美工質大 1 倍12 。參考文獻1 褚衛(wèi)國等， Sm2(Fe,M) 17Nx 稀土永磁材料的研究進展，功能材料， 1999， 30（ 5）：456 4582 都有為，磁

13、性材料進展， 第十屆全國磁學和磁性材料會議論文集， 1999：10153 500SmCo 磁體4 Ying-Chang Yang et al, Magnetic Properties of the Rare Earth-Iron NittideIntermetallic Compounds, Proc. Of 11 Int Workshopl on Rare EarthMagnets and Their Application, 1990,2:1905 三榮化成6 Betzig E, Trauman J K. Wolfe R, et al., Near-field Optical Data Storage Using a Solid Immersion Lens. Appl. Phys. Lett.,1992,61:1427 Reif J, Rau C, Mathias E, et al., Near-field Magneto-Optics and High DensityData Storage. Phys. Rev. Lett., 1993,71:9318 干福熹主編，信息材料，天津大學出版社， 2000：3959XiongG C, LiO, Ju H L, et al, Giant Ma