稀土永磁材料的性能与研究进展

27中国粉体工业 2020 No.2稀土永磁材料的研究与应用

杨玉梅/文

【摘要】作为稀土最重要的应用领域之一，稀土永磁材料是支撑现代社会的重要基础功能材料。

近年来，稀土永磁材料发展迅速，已经成为新一代的高效环保材料，被广泛应用于多种领域中，如

信息通讯、消费电子、节能家电、风力发电、新能源汽车、人工智能及航空航天等许多领域，已经

成为生产和生活中不可或缺的重要功能材料。本文将着重探讨稀土永磁材料的技术研究与其产业化

应用。

【关键词】稀土永磁材料；研究；应用

稀土永磁材料应用日益广泛，已成

为现代文明社会发展水平的重要标志，

对于“中国制造2025”的成功实施，

起到重要支撑作用。在目前已探明的稀土储量中，我国

储量居世界第一，号称稀土王国。这为

今后我国大力发展稀土永磁产业打下了

坚实的基础。稀土永磁材料的出现对推动工业进

步，特别是电机工业、办公自动化等起

到了积极的作用。[1]

1.稀土永磁材料的发展

稀土永磁材料是一类以稀土金属元

素RE（Sm、Nd、Pr等）和过渡族金

属元素TM（Fe、Co等）所形成的金

属间化合物为基础的永磁材料，利用稀

土-过渡族金属间化合物发展的稀土

永磁材料具有优异的永磁性能，是当前

矫顽力最高、磁能积最大的一类永磁材

料。[2]

20世纪40年代末出现了AlNiCo永磁，50年代诞生了铁氧体永磁，60

年代研制出了第一代稀土永磁SmCo5，

70年代开发成功第二代稀土永磁

Sm2Co17，1983年日本住友特殊金属的

佐川真人和美国通用汽车公司各自研发

出钕铁硼永磁NdFeB，为第三代稀土

永磁材料。

第三代稀土永磁材料-钕铁硼

（NdFeB）永磁材料因其优异的综合磁性能，广泛应用于计算机、通讯信息、

医疗、交通、音响设备办公自动化与家

电等各种支柱产业与高新技术产业。

自本世纪以来，全球钕铁硼产

业在中国的带动下持续放量增长。

2002～2017十五年期间，我国和全球

烧结钕铁硼产量的年平均增长率分别为

17.8%和14.5%，粘结钕铁硼产量的年

稀土纳米发光材料研究进展

张吉林，洪广言

（中国科学院 稀土化学与物理重点实验室，吉林 长春 130022）

摘要：稀土纳米发光材料明显不同于体相发光材料的特性已经成为近年来的热点研究课题， 为了更好地探索其特性， 综述了稀土纳米发光材料的研究进展， 特别是掺杂 Eu3 +和 Tb3 +离子的稀土纳米发光材料。首先，归纳总结了稀土纳米发光粒子不同于体相材料的光谱特性， 如电荷迁移带的红移、 发射峰谱线的宽化、 猝灭，浓度的升高、 荧光寿命和量子效率的改变等等； 其次， 概述了一维稀土纳米发光材料的制备与光谱性质， 介绍了二维稀土纳米发光薄膜的图案化和介孔模板组装；最后，对其未来的发展趋势进行了展望

1 引 言

纳米发光材料是指颗粒尺寸在1 ~ 100 nm 的发光材料， 它包括纯的和掺杂离子的纳米半导体复合发光材料和具有分立发光中心的掺杂稀土或过渡金属离子的纳米发光材料。1994 年 Bhar-gava等首次报道了纳米 ZnSI Mn 的发光寿命缩短了5 个数量级， 而外量子效率仍高达18%。尽管这是一个有争议的实验结果，但却引起了人们研究半导体纳米发光材料的极大兴趣， 因为它预示了纳米发光材料可能有高的发光效率和短的荧光寿命等特性。目前， 在这方面已经进行了大量的、 较深入的研究 （如量子点、量子线、量子。阱、超晶格、多孔硅和有序纳米结构阵列等）。在理论上，主要探讨量子限域效应和小尺寸效应等对半导体材料能带结构和光谱性质的影响；在应用上，从材料的制备和加工入手，寻找材料的应用及功能器件制造的途径。与此同时， 稀土或过渡金属离子掺杂的纳米发光材料也开始受到关注，并探索了大量的合成方法，如沉淀法、热分解法、溶胶-凝胶法、燃烧法、激光蒸发冷凝法、CVD 法、水热法、模板组装等等。近年来， 有关稀土离子掺杂的纳米发光材料的工作主要是研究零维纳米粒子的表面界面效应和小尺寸效应对光谱结构及其性质的影响，探索一维纳米线、 纳米管、 纳米带等的制备方法、 形成机理以及发光特性， 开始进行二维纳米发光薄膜的图案化和无序、 有序纳米发光材料的介孔组装。本文将以掺杂Eu3 +和Tb3 +离子的稀土纳米发光材料为例介绍其研究进展， 因为 Eu3 +和Tb3 +离子是稀土发光探针离子， 分别发出较强的特征红光和绿光，

1 新型各向异性稀土永磁材料产业化开发进展

杨应昌

北京大学物理学院应用磁学中心

摘要

本文重点讨论稀土-铁-氮各向异性新型永磁材料。稀土－铁－氮永磁材料的化学通式为RxFeyNz，R代表稀土元素。它包括两类化学成分和晶体结构都不相同的材料：（1）Nd(Fe,M)12Nx 或Pr(Fe,M)12Nx ，其中M= Ti、V、Mo等，具有ThMn12型四方晶体结构，这类材料通称钕铁氮；（2）Sm2Fe17Nx ，具有 Th2Zn17型菱方晶体结构，简称钐铁氮。稀土铁氮新材料产业化的优势是；（1）根据所发现的新效应而发明的新材料，其成分和结构都与现有的磁性材料不同，取得了包括美国、日本和欧洲等国内外发明专利；（2）开发了成熟的产业化技术，磁粉的最大磁能积高达40兆高奥，接近现有商品钕铁硼磁粉的3倍，但材料成本不足钕铁硼磁粉的三分之一；（3）产品已有明确的市场定位。

一、引言

稀土永磁材料是稀土产业中的重要支柱。稀土永磁材料的主导产品是钕铁硼，但是从当前技术发展的需求来看，钕铁硼有局限性，对钕铁硼要一分为二。磁体有两类：烧结磁体和粘结磁体。钕铁硼烧结磁体是各向异性的，并且是全密度磁体，所以磁性能是永磁之冠，应用日益广泛。但是钕铁硼粘结磁体是各向同性的，电器小型化的发展趋势要求开发高磁能积的粘结磁体，日益凸显钕铁硼粘结磁体的不足：（1）性能局限性：磁粉是各向同性的，最大磁能积不过16兆高奥；（2）成型工艺的局限性：钕铁硼快淬磁粉主要用于制作压缩粘结磁体，其产量仅占总粘结磁体产量的3%，其它都是低性能的铁氧体粘结磁体。而更广阔的粘结磁体市场如高性能注射磁体和柔性橡胶磁体亟待开发。为了满足计算机、电机等产品的小型化和高性能化以及低碳经济的发展要求，开发和生产高性能的各向异性稀土粘结磁体是当前世界永磁材料领域开发前沿的生长点和竞争点。此外，长期以来我国的稀土永磁材料产业的发展受到国外知识产权的制约，作为稀土资源大国，更需要争得先机、开发具有自主知识产权的各向异性稀土粘结磁体 2 的新材料。

前言

当稀土元素被用作发光材料的基质成分，或是被用作激活剂、共激活剂、敏化剂或掺杂剂时，这类材料一般统称为稀土发光材料或稀土荧光材料。我国丰富的稀土资源，约占世界已探明储量的80%以上。稀土元素具有许多独特的物理化学性质,被广泛地用于各个领域,成为发展尖端技术不可缺少的特殊材料。稀土离子由于独特的电子层结构使得稀土离子掺杂的发光材料具有其它发光材料所不具有的许多优异性能,可以说稀土发光材料的研究开发相对于传统发光材料来说犹如一场革命。稀土无机发光材料方面,稀土发光材料与传统的发光材料相比具有明显的优势。就长余辉发光材料来说,稀土长余辉发光材料的发光亮度是传统发光材料的几十倍,余辉时间高达几千分钟。由于稀土发光材料所具有如此优异的性能使得发光材料的研究主要是围绕稀土发光材料而进行的。

由于稀土元素具有外层电子结构相同、内层 4f 电子能级相近的电子层构型，含稀土的化合物表现出许多独特的理化性质，因而在光、电、磁领域得到广泛的应用，被誉为新材料的宝库。在稀土功能材料的发展中，尤其以稀土发光材料格外引人注目。稀土因其特殊的电子层结构，而具有一般元素所无法比拟的光谱性质，稀土发光几乎覆盖了整个固体发光的范畴，只要谈到发光，几乎离不开稀土。稀土元素的原子具有未充满的受到外界屏蔽的 4f5d 电子组态，因此有丰富的电子能级和长寿命激发态，能级跃迁通道多达 20 余万个，可以产生多种多样的辐射吸收和发射，构成广泛的发光和激光材料。随着稀土分离、提纯技术的进步，以及相关技术的促进，稀土发光材料的研究和应用将得到显著的发展。进入二十一世纪后,随着一些高新技术的发展和兴起,稀土发光材料科学和技术又步入一个新的活跃期，它为今后占主导地位的平板显示、第四代新照明光源、现代医疗电子设备、更先进的光纤通信等高新技术的可持续发展和源头创新提供可靠的依据和保证。所以,充分综合利用我国稀土资源库,发展稀土发光材料是将我国稀土资源优势转化为经济和技术优势的具体的重要途径。