神奇的稀土材料

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1、神奇的稀土材料杜金蓉【摘要】文章阐述了稀土元素的特性及其在新材料中的应用，以及未来发展需加强的薄弱环节。关键词稀土，新材料1、稀土的特性及其在新材料中的应用稀有元素中有一族化学特性相近的金属，一共有十五种，它们称为稀土元素。这十五种金属是痢(La)、牢市(Ce)、错(Pr)、铁(Nd)、柜(Pm)、侈(Sm)、铸(Eu)、轧(Gd)、轼(Tb)、镐(Dy)、钦(Ho)、餌(Er)、饪仃m)、德(Yb)、＜(Lu),此外还有南种性贸相近的金属也可以归并进去，这就是铳(Sc)和锂(Y)。这十七种元素统称为“稀土元素”。稀土(rareearth简称RE)被人们誉为新材

2、料的“宝库”，是国内外科学家，尤其是材科专家关注的一组元素。稀土的特异性能来自于它们特异的电子构型。从痢到镭，随着原子序从57至71的增大，在内层的4f轨道中逐一填充电子。这些4f电子被外层完全充满的5s和5p电子所屏蔽。4f电子不同的运动方式，使稀土具有不同于周期表中其它元素的光、磁和电学等物理和化学特性：(1)4f电子在不同能级之间的跃迁(f—f跃迁和f—d跃迁)，使稀土的发光和光吸收别具一格，在发光与激光等光学材料中获得多方面的应用。在具有未充满4f电子的13个三价稀土离子的4fn组态中(n=1—13),共有1639个能级，不同能级之间可能发生的跃迁数目高

3、达192177个。因此，稀土是一个巨大的发光材料宝库。但目前只有48个跃迁用于激光材料，为数很少的跃迁用于发光材料。可见，稀土作为光学材料的潜力是很大的。(2)稀土元素在4f组态中的未成对电子效可高达7个，多于d过渡元素在d层的未成对电子数(最多只有5个)。这些4f电子的自旋运动、轨道运动和较强的自旋轨道耦合作用以及它们与周围环境的间接交换作用，使稀土的磁性不同于铁、钻、铢等d族过渡元素，具有很犬的顺磁磁化率、饱和磁化强度、磁各向异性、磁致伸缩、磁光旋转和磁卡效应，因而稀土在水磁材料、磁致伸缩材料、磁光材料、磁致冷材料等各方面获得广泛的应用O(3)在稀土与d过渡

4、离子形成的层状结构骨架中，稳土常可稳定有利于裁流子输运的结构。而且，当三价稀土离子被不等价的离子(如二价的碱土离子)取代时，可导致与其共存于同一化合物中的一些d过渡离子的价态、自旋状态和电子的离域程度发生变化，从而引起导电性能的变化。近年已利用这一特性发现铉顿铜氧高温超导体、固体氧化物燃料电池(S0FC)的电极材料等，使稀土成为探寻新型半导体、电子导体和离子导体以及高温超导体等电学材料的重要对象。稀土的这些特异的性质，使他们在新材料的制备领域具有极大的潜力。稀土永磁材料稀土永磁材料是以稀土元素与过渡族金属间所形成的金属间化合物为基体的永磁材料。例如SmCo5永磁

5、材料是以一个彫(Sm)原于和5个钻(Co)原于组成的化合物SmCo5永磁；又如，Sm2Co17永磁材料。是以两个Sm原于和17个Co原于组成酌2：17型化合物Sm2Co17永磁；再例如Nd—Fe—B系永磁材料，它是Nd2Fe14B化合物为基体，含有少量富Nd相和富B相的永磁材料。通常称为稀土金属间化合物永磁，简称为稀土永磁。稀土永磁材料发展很快，现在已经到了第4代。随着铁铁硼成本的降低，应用量越来越大，主要用于马达、音响设备、核磁共振成像装置、电子计算机外围设备等方面。生产核磁共振成像装置，如果用铁氧体需要100t,改用钦铁硼则仅需要1-2t,能明显使其轻量化、

6、小型化。美国公司在小型汽车起动器中使用铁铁硼，比用彩钻磁体时重量减少30%,体积缩小40%。稀土磁致伸缩材料当磁性体磁化时，如果它的长度发生变化，就被称作“磁致伸缩”。最近发现的稀土磁致伸缩材料，较以前的磁致伸缩材料的伸缩能力大一倍，人称超磁致伸缩材料，主要有钛轧系合金。稀土超磁致伸缩材料是一些稀土元素与Fe形成的金属间化合物REFe2,是继传统磁致伸缩材料（Ni、Co等）、压电陶瓷（PZT）之后，从20世纪70年代逐渐发展起来的一种新型功能材料。稀土超磁致伸缩材料主要有两种应用形式，即体材和薄膜。欧盟已在其科技白皮书中明确提出，稀土超磁致伸缩薄膜及微位移制动器

7、是其磁性材料领域重点发展的方向之一。体材的开发重点是为满足器件设计和制造的要求，进一步降低磁各向异性场和磁滞现象，例如近年来在用Ho取代Tb、Dy的四元化合物Terfenol—DH的研究上取得了重大进展。稀土超磁致伸缩材料的电一机械能转换功能远优于其他材料，具有应变值高、能量密度大、转换效率高、响应速度快、输出功率大等特点，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，在国防、航空航天、海洋、地质、石油、化工、制造等领域已经获得应用。作为实用器件，已经逐渐被用到小型激光唱盘、机器人、高

8、速升线电机、新式兵器当中