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1、贵州师范大学研究生作业（论文）专用封面作业（论文）题目：浅谈稀土功能材料的磁学、光学性质研究及其应用 课 程 名 称： 功能材料导论 任课教师姓名： 杨锦瑜老师 研究生姓名： 孙智国 学 号： 4201310000412 年 级： 2013 级 专 业： 分析化学 学院（部、所）： 化学与材料科学学院 任课教师评分： 评阅意见：任课教师签名：2014 年 2 月 10 日浅谈稀土功能材料的磁学、光学性质研究及利用摘要：随着科学的不断发展和人类对世界的认知水平不断提高，科学研究和生活都会要求我们使用到各种各样有特殊功 能的材料。其中现在的功能材料就是其重要的一员，本文主 要讲述稀土磁性材料、稀土
2、发光材料的研究及其应用进展。关键词：稀土功能材料；性能；分类；1 引言功能材料是以物理性能为主的工程材料的统称, 即指在电、磁、声、光、热等方面具有特殊性质, 或在其作用下表现出特殊功能的材料 1 。稀土元素有很多独特的性能：稀土元素具有独特的4f 电子结构, 大的原子磁距,很强的自旋轨道藕合等特性, 与其它元素形成稀土配合物时, 配位数可在3 12 之间变化, 并且稀土化合物的晶体结构也是多样化的。并且在光学、电学及磁学物理化学性质，因而在功能材料中得到了广泛的应用。但是由于稀土金属比较贵重，往往使用掺杂的方式以减少稀土金属的使用。2 稀土功能材料的磁学性能2.1 稀土磁性材料稀土磁性材料主
3、要包括稀土永磁材料、稀土超磁致伸缩材料、稀土永磁薄膜、稀土磁致冷材料和稀土巨磁电阻材料。2.1.1 稀土永磁材料永磁材料又称“硬磁材料” 。一经磁化即能保持恒定磁性的材料。常用的永磁材料分为铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、永磁铁氧体、稀土永磁材料和复合永磁材料。因为稀土磁性材料具有远超过铁氧体、铝镍钴等传统磁性材料的磁性能, 稀土永磁材料近年来发展极为迅速。SmCo5 和Sm2Co17 永磁材料先于NdFeB 商品化, 曾被分别称为第一代和第二代稀土钴磁性材料。它们具有较大的磁能积、高矫顽力及良好的热稳定性。但由于钴和钐的价格昂贵, 限制了它们的发展。目前, 这类永磁材料主要应用于微波管、
4、精密测量仪表、自动导航定向陀螺仪等军工产品。钕铁硼永磁材料是第三代稀土永磁材料，其剩磁、矫顽力和最大磁能积比前者高，不易碎，有较好的机械性能，合金密度低，有利于磁性元件的轻型化、薄型化、小型和超小型化。 2.1.2 稀土超磁致伸缩材料稀土超磁致伸缩材料( GMM) 是一种高技术功能材料, 也有人称其为“ 智能材料 ”。具有能量转换率高、输出功率大、响应速度快等优点。稀土超磁致伸缩材料目前多用于军事工业，因而受到各国的重视，并成为具有战略意义的一种功能性材料，目前西方发达国家将其对中国实施严格的禁运。大力发展稀土超磁致伸缩材料对国家安全有重要意义。同时将有可能迅速的提升国民经济的竞争力。2.1.
5、3 稀土永磁薄膜随着现代电子器件逐渐向微型化发展，越来越小的加工尺寸就变得非常必要，而薄膜永磁材料可以像半导体那样进行微米制版, 可以集成到微型传感器、微波毫米波集成电路、集成光学系统和微电子机械系统中, 提供一个强的局域磁场或一组交变磁场。它研究的薄膜材料几乎包括了所有高性能的永磁材料。近10 年来, 自旋电子器件的研究已有很大发展, 永磁薄膜与自旋电子器材的集成将开发出新一代电子器件。2.1.4 稀土巨磁电阻材料巨磁电阻（GMR）效应是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在显著变化的现象。1988 年法国磁学物理学家发现了巨磁电阻效应, 1994 年美国NVE 公司首先实
6、现了巨磁电阻材料的产业化。NVE 公司生产和销售灵敏度高、热稳定性好的巨磁电阻磁场传感器可广泛应用于电机、电子、电力、能源、汽车、磁信息读写及工业自动控制等领域。1998 年, IBM 公司成功地将巨磁电阻效应应用于计算机硬盘驱动器上的读写磁头, 目前存储密度已高达56GB/ 平方英寸, 可望将计算机硬盘容量扩大20 倍。2001 年摩托罗拉公司研制出巨磁电阻随机读取存储器, 该存储器预示有1 000 亿美元的市场容量。我国香山科学会议已将巨磁电阻效应的研究和应用列为我国将要重点发展的七个领域之一。中科院物理所、北京有色金属研究总院、钢铁研究总院、南京大学等单位开展了自旋电子学的研究, 但目前
7、均属实验室水平。类钙钛矿RE3- XAXMnO3 型化合物薄膜( RE 代表稀土, A 为碱金属) 是目前巨磁电阻材料中自旋极化率最大、最具应用前景的一种。2.1.5 稀土磁致冷材料由于以前使用的氟利昂等等氟氯碳类化合物，寻找新的制冷介质就成为了迫切的现实需要。其中磁制冷是优良的制冷方法之一, 与通常的压缩气体制冷方式相比, 具有效率高、功耗低、噪音小、体积小、无污染等优点。目前, 美国和日本在磁致冷材料、技术和装置的研发领域居世界领先水平。2002 年美国阿姆斯实验室研制出世界第一台能在室温下工作的磁制冷冰箱。据此推测, 在未来3 5 年内, 室温磁制冷技术可望在汽车空调系统中得到应用。我国
8、的东北大学、钢铁研究总院、南京大学、四川大学相继开展了致冷的研究。通过对LaCaMnO 材料的系统研究, 获得了一些熵变较大、居里点可调、价格相对便宜的材料。但是近室温制冷技术还需要得到进一步的研究，主要由于目前的技术存在以下几个问题：( 1) 每次磁制冷循环降低的温度不够大; ( 2) 热交换速度不够快; ( 3) 解决特殊要求的绝热技术。3 稀土发光和激光材料 稀土发光和激光发光是由稀土4f电子在不同能级间跃出而产生的，因激发方式不同，发光可区分为光致发光、阴极射线发光、电致发光、放射性发光、X射线发光、摩擦发光、化学发光）和生物发光等。稀土发光材料的优点是吸收能力强, 转换率高,可发射从
9、紫外到红外的光谱, 在可见光区域, 有很强的发射能力, 且物理化学性质稳定。稀土发光材料已广泛应用在显示显像、新光源、X射线增光屏等各个方面。彩电显像管和计算机显示器使用的稀土发光材料属阴极射线发光材料。目前彩管中红粉普遍使用的是铕激活的硫氧化钇Y 2O2S: Eu 磷光体, 计算机显示器要求发光材料提供高亮度、高对比度和清晰度, 其红粉也采用Y 2O2S: Eu, 但Eu 含量要高一些, 绿粉为Tb 3+ 激活的稀土硫氧化物Y 2O2S: Tb, Dy 及Gd 2O2S: Tb, Dy 高效绿色荧光体,其他一些发光体如；大屏幕投影电视，也在其制作的红粉或绿粉中使用了Eu、Tb，Yd等稀土元素
10、。稀土发光材料的另一项重要应用是稀土三基色节能灯, 它使用的稀土三基色荧光粉是光致发光材料, 主要组成部分为红粉Y 2O3: Eu3+，绿粉为Ce0.67Mg0.33Al11O19: T b3+，蓝粉为 BaMgAl16O27: Eu2+，稀土节能灯发光效率高, 节约电力, 其开发应用受到世界各国重视。与国外相比, 我国灯粉质量还存在一定问题, 光衰较大, 亮度偏低, 在灯粉粒度、原料纯度控制工艺方面需要改进。稀土激光材料是与激光同时诞生的, 稀土是激光工作物质中很重要的元素, 90% 的激光材料都与稀土有关。稀土晶体激光材料主要是含氧的化合物和含氟的化合物。其中稀土石榴石体系是研究、开发和应
11、用最活跃的体系, 在激光技术、医疗、科研等领域应用广泛。稀土玻璃激光材料用Nd 3+ 、Er 3+ 、Tm 3+ 等三价离子作为稀土激活离子, 种类比晶体少, 容易制备, 灵活性比晶体大, 可以根据需要制成不同的形状和尺寸, 缺点是热导率比晶体低, 因此不能用于连续激光的操作和高重复率操作。稀土玻璃激光器输出脉冲能量大, 输出功率高, 可用于热核聚变研究, 也可用于打孔、焊接。稀土光纤激光材料在现代光纤通讯的发展中起着重要作用。掺铒光纤放大器( EDFA) 的开发应用及其它高技术的发展, 使现代光纤通信取得了长足的进步，除EDFA 外还有掺镨氟化物光纤放大器, 它们的原理相同, 后者激发光波长
12、为1 017 nm。稀土在光纤中用量很少,世界总用量仅为公斤级, 但所起的作用是决定性的。稀土元素是二十一世纪具有战略地位的元素,稀土新材料的研究开发与应用是国际竞争最激烈也是最活跃的领域之一。从某种角度讲, 稀土新材料的研究开发应用水平， 标志着一个国家高科技发展水平。与其他发达国家如：美，日等国相比，我国在稀土新材料的研究，开发、利用方面还有一定的差距。但是我们也要看到国家已经看到了稀土研究的重要意义，不大加大对稀土研究的支持力度，同时中国是稀土资源最为丰富的国家，只要我们将自己的资源优势转化为经济优势，中国的稀土产业将会有一个更为美好的明天。结论：功能材料种类繁多，用途广泛，正在形成一个
13、规模宏大的高技术产业群，有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义。世界各国均十分重视功能材料的研发与应用，它已成为世界各国新材料研究发展的热点和重点，也是世界各国高技术发展中战略竞争的热点。其中的在稀土功能材料研究和利用方面中国具有其他国家国家没有的条件：中国拥有发展稀土应用的得天独厚的资源优势，在现已查明的世界稀土资源中，80%的稀土资源在中国，并且品种齐全。从1986年起，中国稀土产量已经跃居世界第一位，使中国从稀土资源大国变成稀土生产大国。稀土材料在其他方面的应用如：稀土贮氢材料、稀土催化材料、稀土超导材料都由于有了稀土的加入而有了特殊的性质，具有特殊的利用。因而我国稀土的研究与开发也将取得长足的进步， 应用水平也正在逐渐提高，基础研究得到进一步加强。参考文献：1 师昌绪. 材料大辞典 M 。 北京: 化学工业出版社, 1994.2 陈占恒. 稀土新材料及其在高技术领域的作用 J。稀土,2000, 21( 1) : 53- 57。3百度百科-功能材料 .4百度百科-稀土发光材料 .5张金升， 许凤秀等。功能材料综述J 。现代技术陶瓷。 2002:97（3）：40-446陈荣。无机功能材料的组合设计、制备和筛选J. 无机化学学报。 2001，1.17（1）.149-150
