功能材料,金属,记忆合金,稀土,应用,趋势

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稀 有 金 属

28卷

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(giantmagnetostrictivematerials,简称GMM)具有以下特点:(1)在室温下具有超大的磁致伸缩应变,应变量达到1500~2000ppm,为压电陶瓷的几倍,Ni,Co等的几十倍;(2)能量密度高(14000~25000J m);(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。

我国从20世纪80年代开始进行稀土超磁致伸缩材料的研究。初步研究出Tb Dy Fe三元及四元系、Sm Fe二元系及多元系单晶和多晶稀土超磁致伸缩材料。北京有色金属研究总院稀土材料国家工程研究中心采用自行开发的 一步法 新工艺和设备,制成我国直径最大的稀土超磁致伸缩材料,其直径为70mm、长250mm,主要技术指标达到国际先进水平。用这种工艺研制的稀土超磁致伸缩材料,成本不及国际售价的30%。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-3

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。国外很重视功能材料与元件、应用器件的一体化,美国的ETREMA公司就是材料和应用器件研发、销售一体化最典型的例子。我国在GMM材料产业化和应用开发方面还处于起步阶段,需要在GMM生产技术、生产装备、生产成本上有所突破,在立足于现有研究的基础上,应大力加强稀土大磁致伸缩器件及应用的研究,尽力拓宽GMM材料的应用领域,以GMM材料的应用来促进GMM材料的研究和产业化。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。目前一种新型磁制冷材料Gd3Si2Ge2已被开发出来,它的优点是磁热效应大,使用温度可以达到290K。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。2002年美国Ames实验室的科研人员研制出了世界上第一台能在室温下工作的磁冰箱。近期又与美国通用公司开发汽车磁制冷空调,磁体磁场强度1.5T,最大输入功率273W,最大制冷量达到1100W,冷端温度15.5 ,热端温度35 ,制冷系数4.1。2003年日本又开发了一台旋转式室温磁制冷样机,制冷量比2002年提高了1.5倍。

我国在磁制冷材料方面的研究起步较晚,目前,中科院物理所在LaFe系及其加氢合金方面、四川大学在GdSiGeSn合金方面、南京大学在La CaNaMnO等化合物方面都取得了好的结果,已开发出样机,但总体上与美国和日本相比还有差距。

到2010年我国将禁止生产和使用氟里昂等氟氯碳和氢氟氯碳类化合物。因此,需要加快研究开发无害的新型制冷剂或不使用制冷剂的其它类型制冷技术。在这方面的研究开发中,磁制冷是制冷效率高,能量消耗低,无污染的制冷方法之一。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