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1、稀土材料姓名：牛 刚 学号：S20141460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
2、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
3、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 1/31/2，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
4、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
5、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15002000ppm，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
6、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
7、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
8、 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
9、，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，200
10、2 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 的电池组经一次充电后可行驶 225km，最高时速达 120km/h 。2008 年我国生产的镍氢电池约为 10亿只，使用 6000t 贮氢合金，产值近 6 亿元；2010 年左右，我国用于电动汽车电池的稀土贮氢合金年产量将达到 2 万吨，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产业之一。 贮氢合金可分为 5 大类: 稀土系(AB
11、5 型)、钛镍系(AB 型)、锆基/ 钛基 Laves 相系(AB2 型)、镁基合金(A2B 型)和钒固溶体型。贮氢合金的制备工艺较多，不同的制备工艺对合金的组织和性能会产生不同的影响。常见的制备工艺为金属模铸法，此外还有气体雾化、熔体旋淬、定向凝固、机械合金化、压延扩散及还原扩散法。近年来，北京有色金属研究总院采用快冷厚带工艺(即熔体旋淬)制备稀土贮氢合金取得较好的结果。研究表明:采用快冷厚带工艺制备的贮氢合金厚带的晶粒细小均匀，无成分偏析，提高了贮氢合金的活化性能和循环使用寿命，并且钴含量减少，降低了合金成本， 产业化前景广阔。 3 稀土发光材料 照明电器和彩电等下游产品的需求带动了稀土发
12、光材料的迅速发展。2012 年，我国彩电、节能灯用荧光粉产量达 8000 多吨，产值约 40 亿元，与其关联的下游产业 照明电器、彩电和显示器等的产值达数千亿元之巨。在照明领域:发光二极管(LED) 已成为全球的热点，正孕育着一场新的照明革命。发光二极管(LED)是一种新型的全固态的半导体照明器件，它具有许多其他光源无可比拟的特殊优点，诸如发光效率高、耗电量小、重量轻、寿命长、体积小、无汞无公害等。以上的种种优点使白光 LED 在液晶背景光源、工矿照明、手术照明、航空机用照明、舞台照明及景观照明等领域有着广阔的应用前景，并可能取代白炽灯和荧光灯而进入寻常家庭，得到极为广泛的应用。白光 LED
13、的关键材料 :荧光粉近几年发展迅速，日本的日亚化学和美国的 GE 公司在这类荧光材料的研究中处于世界领先地位，美国 GE 公司申请的相关专利最多。目前普遍应用的蓝光 LED 激发 YAG 黄色荧光粉基本上能满足白光 LED 产品的要求，但应进一步提高效率，降低粒度，改善粉体形貌和粒度分布。在“蓝光LED+绿色和红色荧光粉” 结构中，绿粉基本能满足要求，但红粉的效率需要有较大的提高。在“紫光 LED+三基色荧光粉”结构中，三种荧光粉的效率都比较低，特别是红色荧光粉的效率最低。因此，必须尽快研制效率高、稳定性好的荧光粉、满足半导体照明技术发展的需要。北京有色金属研究总院稀土中心研制的适用于各种蓝光
14、 LED 芯片激发的系列 YAG 黄色荧光粉性能优良，已小批量供应国内外 LED 器件厂家，引起了国际同行的注意。 在 2013 年全球半导体照明的市场规模将达 12.4 亿美元，并且以增长率超过三成的速度逐年递增。在全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，半导体照明是被业界看好的发展方向。在未来 57 年内将部分替代传统照明。美国能源部计划到 2015 年前后，用半导体灯取代 75%的白炽灯和荧光灯，每年由于节电可节约 350 亿美元。7 年后半导体照明可形成一个 800 亿美元的大产业。 显示领域: 高清晰度、数字化平板彩色电视机和计算机显示器必将在不久的将来取代普通 CRT 彩电和显示器进入
15、民用和军用各领域。PDP，FED， CRT 背投等新型信息显示用稀土发光材料成为该领域的研究热点。 4 稀土催化材料 由于稀土与其他金属催化组分具有良好的协同作用，因而稀土催化材料不仅具有良好的催化性能，而且具有良好的抗中毒性能和很高的稳定性。例如铈可变价，具有良好的储放氧功能，广泛应用于汽车尾气净化催化剂中；镧具有很好的稳定性能，已成为催化领域的重要合成元素。 贵金属催化剂是目前催化活性较高的催化材料，但由于贵金属价格昂贵，资源短缺(在我国年产量仅有 400kg)，难于抵抗 900以上的高温，抗中毒能力和稳定性较差等原因，该材料的应用受到了一定的限制。稀土催化材料能够克服以上诸多缺点，且资源
16、丰富，价格便宜，性能稳定，已成为催化材料的重要补充。美国 2010 年在催化领域消费稀土高达 89%(总消耗量为 2 万吨)，2010 年我国在催化领域的稀土用量为 9000t，占总消费量的 40.8%。随着北京 2008 奥运会的临近和国民环保意识的增强，稀土催化剂在环保方面的需求及应用还会大幅增长。 然而，稀土汽车尾气净化催化剂还有许多亟待解决的问题。汽车尾气净化催化剂目前要重点解决的问题是：(1)在更宽的空然比的工作范围内，提高对氮氧化物的还原选择性；(2)降低起燃温度，减少冷启动时污染物的排放；(3)提高催化剂的高温稳定性和使用寿命。天然气催化燃烧催化剂近年来已成为一个研究热点，随着煤和石油资源的日益枯竭，天然气作为一种清洁能源发挥着愈来愈重要的作用。天然气在普通燃烧时，由于操作温度很高，会有大量氮氧化物(NOx)形成，对环境造成污染，而且燃烧效率较低，易熄火。天然气催化燃烧是一种无焰燃烧，将甲烷与空气进行预混合后，均匀通过催化床层，在活性粒子的催化作用下实现燃烧，具有很高的燃烧效率与能量利用率。由于催化
