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稀土材料3分开放分类：目录••••摘要请用一段简单的话描述该词条，马上。
稀土材料泛指一切含有稀土元素的功能材料和结构材料。
稀土材料-什么是稀土就是化学元素周期表中—镧〔La〕、铈〔Ce〕、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)，以及与镧系的15个元素密切相关的两个元素—钪〔Sc〕和钇〔Y〕共17种元素，称为稀土元素〔Rare Earth〕。
简称稀土〔RE或R〕。
稀土元素最初是从瑞典产的比拟稀少的矿物中发现的，“土〞是按当时的习惯，称不溶于水的物质，故称稀土。
根据稀土元素原子的和物理化学性质，以及它们在矿物中共生情况和不同的离子半径可产生不同性质的特征，十七种稀土元素通常分为二组：轻稀土〔又称铈组〕包括：镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆；重稀土〔又称钇组〕包括：铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇。
又称铈组或钇组，是因为矿物经别离得到的稀土混合物中，常以铈或钇占优势而得名。
稀土材料-稀土材料1.稀土永磁材料稀土永磁材料是将钐、钕混合稀土金属与〔如钴、铁等〕组成的合金，用粉末冶金方法压型烧结，经充磁后制得的一种磁性材料。
稀土永磁分钐钴〔SmCo〕永磁体和钕铁硼〔NdFeB〕系永磁体，其中SmCo磁体的磁能积在15～30MGOe之间，NdFeB系永磁体的磁能积在27～50MGOe之间，被称为“永磁王〞，是目前磁性最高的永磁材料。
钐钴永磁体，尽管其磁性能优异，但含有储量稀少的稀土金属钐和稀缺、昂贵的战略金属钴，因此，它的开展受到了很大限制。
我国稀土永磁行业的开展始于上世纪60年代末，当时的主导产品是钐-钴永磁，目前钐-钴永磁体世界销售量为630吨，我国为90.5吨〔包括SmCo磁粉〕，主要用于军工技术。
随着计算机、通讯等产业的开展，稀土永磁特别是NdFeB永磁产业得到了飞速开展。
稀土永磁材料是现在的综合性能最高的一种永磁材料，它比十九世纪使用的磁钢的磁性能高100多倍，比、铝镍钴性能优越得多，比昂贵的铂钴合金的磁性能还高一倍。
磁制冷及磁制冷材料的研究进展作者：耿剑锋来源：《中国科技博览》2013年第01期中图分类号：U463.64+5文献标识码：U文章编号：1009-914X （2013）01-0292-01一、磁制冷简介传统压缩制冷技术广泛应用于各行各业，形成了庞大的产业，但它存在两个明显的缺陷：制冷效率低且氟利昂工质的泄漏会破坏大气臭氧层。
自2000年起蒙特利尔协议生效，污染大气环境及破坏大气臭氧层的氟里昂制冷剂将逐渐被禁用，新的气体制冷剂（如HFC－134a）相继问世并已进入商品化生产。
磁制冷作为一项高新绿色制冷技术，与传统压缩制冷相比具有如下竞争优势：1.无环境污染；2.高效节能； 3.易于小型化； 4.稳定可靠；二、磁制冷的原理磁制冷方式是一种以磁性材料为工质的制冷技术。
其基本原理是借助磁制冷材料的可逆磁热效应，又称磁卡效应，即磁制冷材料等温磁化时，向外界放出热量，而绝热退磁时因温度降低，从外界吸取热量达到制冷目的。
三、磁制冷材料的研究进展对磁制冷工质的研究现状分20K以下，20K-80K，80K以上三个温区：1．20K以下温区：这个温区是利用磁卡诺循环进行制冷，工质材料处于顺磁状态。
主要研究了Gd3Ga5Ol2（GGG），Dy3Al5O12（DAG），Y2（SO4）2，Dy2Ti2O7，Gd2（SO4）3.8H2O，Gd（OH）2，Gd（PO3）3，DyPO4[6]，Er3Ni．ErNi2，DyNi2，HoNi2，Er0.6Dy0.4，Ni2ErAl2[7]等。
4.2K以下常用GGG和Gd2（SO4）3.8H2O等材料生产液氦，而4.2K-20K则常用GGG、DAG进行氦液化前级制冷。
GGG适于1.5K 以下，特别是10K以下优于DAG。
在10K以上特别是在15K以上DAG明显优于GGG。
另外，Shull等研究表明Gd3Ga5-x Fe2O12（GGIG）（x=2.5）具有超顺磁性，在较低磁场下就能达到饱和，对于采用低场实现20K以下温区的磁制冷具有重要作用。
重庆工学院绝热去磁制冷的物理原理姓名：学号：绝热去磁制冷的物理原理摘要本文从熵的观点出发，利用热力学，统计物理与量子力学理论分别从宏观与微观的角度对绝热去磁制冷的物理原理进行了初等分析.关键词磁熵;顺磁质;绝热去磁1.制冷原理在物理学中“低温”是指低于液态空气(81K)的温度.低温在现代技术与科学中有着重要意义.在技术上空气在低温液化后可以通过分馏而得到氧气、氮气、氢气等工业各方面的应用，在生物科学上，低温环境用来保存活体.用低温可以使某些材料具有超导性质.在广泛地用来产生强磁场.对低温条件下物理现象的研究在理论上也具有重要意义.这方面著名的例子是，吴健雄等人利用绝热去磁致冷的低温条件做的so C。
绝热去磁是产生1K以下低温的一个有效方法，即磁冷却法。
这是1926年德拜提出来的。
在绝热过程中顺磁固体的温度随磁场的减小而下降。
将顺磁体放在装有低压氦气的容器内，通过低压氦气与液氦的接触而保持在1K左右的低温，加上磁场（量级为10^6A/m）使顺磁体磁化，磁化过程时放出的热量由液氦吸收，从而保证磁化过程是等温的。
顺磁体磁化后，抽出低压氦气而使顺磁体绝热，然后准静态地使磁场减小到很小的值（一般为零）。
利用固体中的顺磁离子的绝热去磁效应可以产生1K以下至mK量级的低温。
例如从0.5K出发，使硝酸铈镁绝热去磁可降温到2mK。
当温度降到mK量级时，顺磁离子磁矩间的相互作用便不能忽略。
磁矩间的相互作用相当于产生一个等效的磁场（大小约10^4~10^3A/m），使磁矩的分布有序化，这方法便不再有效。
核磁矩的大小约为原子磁矩的1/2000。
因此核磁矩间的相互作用较顺磁离子间的相互作用要弱的多，利用核绝热去磁可以获得更低的温度。
1.1制冷方法根据各种致冷原理，目前主要的致冷方法大致可分为四类:(1)绝热膨胀法;(2)物相转化法;(3)绝热去磁法;(4)激光致冷法.绝热去磁法是由德拜和吉奥克等人于20世纪20至50年代发展起来的致冷方法.“绝热去磁冷却”由等温磁化和绝热去磁两个过程构成.由于后一过程实现冷却而被如此命名.根据磁体的类别，绝热去磁法又可分为顺磁性盐绝热去磁法与绝热去磁法.利用前者一般可降温至mK量级，而利用后者通常可获得}K 量级低温，两者致冷原理相似. 本文以具有自旋系统的理想顺磁性盐类为研究对象，从熵的观点出发，利用热力学，统计物理与量子力学理论，分别从宏观与微观的角度对磁制冷的物理原理进行了初等分析，并简单介绍了顺磁性盐绝热去磁致冷法在卡诺循环中的物理原理，可供大学物理课教学参考.1.2熵的观点熵是系统无序度的量度.当系统经历的是绝热过程时，系统的熵变为零.容易理解，对磁介质来说，影响其熵变的主要因素有两个:一个是磁介质本身的温度T，二是施于磁介质的外磁场Bo.因此，我们可以将磁介质的熵看成由两个部分组成:一部分受温度的影响，称为热熵，用Sr表示;另一部分受磁场B的影响，称为磁熵，用SB表示.于是系统的熵为S=SB+ST.当介质绝热磁化，磁场由零增到某一数值时，介质内的分子磁矩的排列将由混乱无序到趋于与外磁场B。
稀土元素的应用镧的应用非常广泛，应用于各种合金材料、贮氢材料、热电材料、磁阻材料、发光材料、屏蔽涂料、光学玻璃等。
它也应用到制备许多有机化工产品的催化剂中。
在农业上，有科学家把镧对农作物的作用赋与“超级钙”的美称。
1、传统应用（1）钢铁改质剂金属镧加入钢中可脱硫和脱氧，可细化晶粒，形成微合金并改变夹杂物的形态及分布，提高抗氢脆和抗腐蚀能力；加入到铁中可净化铁水，改变石墨形态，防止杂质元素破坏球化作用。
由于钢铁在各个领域应用广泛，金属镧在钢、铸铁等高性能产品发展过程中均扮演着重要的色。
（2）还原剂金属镧与氧在高温下发生还原反应，利用蒸气压差可真空蒸馏分离提纯制备金属钐、金属铥等高蒸气压金属，该工艺简单，污染少。
（3）石油炼制催化剂为了从原油中获得更多的汽油、柴油等轻质油, 必须在石油精炼加工中对重质油采用催化裂化处理, 就必需使用石油裂化催化剂, 稀土分子筛裂化催化剂比不含稀土的催化剂催化活性和热稳定性均有明显提高, 可使轻质油收率提高4%, 使催化剂寿命延长2倍, 炼油成本降低20%, 并使裂化装置生产能力提高30%-50%。
（4）功能陶瓷镧在功能陶瓷材料中具有特别好的应用前景；如在钛酸钡(BaTiO3)电容器陶瓷中加入氧化镧,可明显提高电容器的稳定性和使用寿命,加入1%氧化镧,可延长使用寿命400-500倍。
镧作为固体电解质可用于固体氧化物燃料电池。
他们都具有良好的抗断裂韧性、热稳定性和抗循环疲劳性。
把镧作为主成分加入锆钛酸铅制备(Pb, La)(Zr,Ti)O3, 即电光陶瓷, 可用于强核辐射护目镜、光通讯调制器、全息记录等。
2、应用于新型材料（1）光学玻璃光学玻璃中应用镧既是经典用途，也是目前主要应用领域之一。
镧系光学玻璃具有高折射率和低色散的优良光学特性，可简化光学仪器镜头、消除球差、色差和像质畸变，扩大视场角，提高鉴辨率和成像质量，已广泛用于航空摄像机、高档相机、高档望远镜、高倍显微镜、变焦镜头、广角镜头和潜望镜头等方面，已成为光学精密仪器和设备不可缺少的镜头材料。
稀土新材料及其在高技术领域的应用陈占恒摘要：本文简要叙述了稀土新材料及其在高技术领域的应用，并进行了简要分析，认为提高我国稀土产业自身高技术应用水平以及开发稀土新材料及其在高技术领域应用技术是实现稀土资源优势向经济优势转化的根本出路。
关键词：稀土；稀土新材料；高技术应用稀土元素独特的物理化学性质，决定了它们具有极为广泛的用途。
稀土元素具有独特的4f电子结构，大的原子磁距，很强的自旋轨道耦合等特性，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。
在新材料领域，稀土元素丰富的光学、电学及磁学特性得到了广泛应用。
在高技术领域，稀土新材料发挥着重要的作用。
稀土新材料主要包括稀土永磁材料、稀土发光材料、稀土贮氢材料、稀土催化剂材料、稀土陶瓷材料及其它稀土新材料如稀土超磁致伸缩材料、巨磁阻材料、磁致冷材料、光致冷材料、磁光存储材料等。
1 稀土永磁材料稀土永磁材料因其合金成份不同，目前可分为三类〔1〕:(1)稀土-钴永磁材料：SmCo5、Sm2Co17;(2)稀土-铁永磁材料：Nd2Fe14B;(3)稀土铁氮(RE-Fe-N系)或稀土铁碳(RE-Fe-C系)永磁材料。
按开发应用的时间顺序可分为第一代(1∶5型SmCo5)、第二代(2∶7型Sm2Co17)、第三代(NdFeB)，目前正在积极开发寻找第四代稀土永磁体。
Sm2Co17具有较高的磁性能和稳定性，得到了广泛的应用。
80年代Nd2Fe14B型稀土永磁体问世，因其优异的性能和较低的价格很快在许多领域取代了Sm2Co17型稀土永磁体，并很快实现了工业化生产。
日本已开发出了磁能积为55.8MGOe的Nd2Fe14B型稀土永磁体。
NdFeB永磁体已广泛地用于能源、交通、机械、医疗、计算机、家电等领域。
中国NdFeB产量1998年占世界总产量的38%，总量为3850吨。
但中国NdFeB产业仍未形成规模化经营，产品多为中低档产品，磁能积一般小于45MGOe，多为40MGOe以下产品，因而多用于音响器材、磁化器、磁选机等中低档领域；而日本NdFeB生产只集中于几个大厂，其产品多为40MGOe以上产品，多用于计算机VCM、新型电机、MRI等高技术领域。
磁致冷，是指以磁性材料为公质的一种全新的制冷技术，其基本原理是借助磁致冷材料的磁热效应（Magnetocaloric Effect,MCE）,即磁致冷材料等温磁化时向外界放出热量，而绝热退磁时从外界吸取热量，达到制冷的目的。
磁致冷材料是用于磁致冷系统的具有磁热效应的物质。
其制冷方式是利用自旋系统磁熵变的制冷，磁致冷首先是给磁体加磁场，使磁矩按磁场方向整齐排列，然后再撤去磁场，使磁矩的方向变得杂乱，这时磁体从周围吸收热量，通过热交换使周围环境的温度降低，达到制冷的目的。
磁制冷材料使磁致冷机的核心部分，即一般所称的制冷剂或制冷工质。
与传统制冷相比，磁致冷单位制冷效率高、能耗小、运动部件少、噪音小、体积小、工作频率低、可靠性高以及无环境污染，因而被誉为绿色制冷技术。
磁致冷的研究可追溯到19世纪末，1881年Warburg首先观察到金属铁再外加磁场中的热效应，1895年Langeviz发现了磁热效应。
1926年Debye、1927年Giauque两位科学家分别从理论上推导出可以利用绝热去磁制冷的结论后，磁致冷技术得以逐步发展。
20世纪30年代利用顺磁盐作为磁致冷工质，采用绝热去磁方式成功地获得毫升量级的低温，20世纪80年代采用Gd3Ga5O12（GGG）型的顺磁性石榴石化合物成功地应用于1.5~15K的磁致冷，20世纪90年代采用磁性Fe离子取代部分非磁性Gd离子，由于H 离子与Gd离子间存在超交换作用，使局域磁矩有序化，构成磁性的纳米团簇，当温度大于15K时其磁熵变高于GGG，从而成为15~30K温区最佳的磁致冷工质。
1976年布朗首先采用金属Gd为磁致冷工质，在7T磁场下实现了室温磁致冷的试验，由于采用超导磁场，无法进行商品化，20世纪80年代以来人们的磁致冷工质开展了广泛的研究工作，但磁熵变均低于Gd的1倍，高温磁致冷正一步步走向实用化，据报道1997年美国已研制成以Gd为磁致冷工质的磁致冷机。
在工业生产和科学研究中，人们通常把人工制冷分为低温和高温两个温区，把制取温度低于20K的称为低温制冷，高于20K称为高温制冷。
在低温区，超导技术的发展和应用要求具有体积小、质量轻、效率高的制冷装置，在高温区（尤其是室温区），由于传统气体制冷工质使用的氟利昂对大气中臭氧层有破坏作用而被国际上所禁用，要求发展新型无环境污染的制冷技术。
而磁致冷在这方面的优势促使其成为引人注目的国际前沿研究课题。
低温超导技术的广泛应用，迫切需要液氦冷却低温超导磁体，但液氦价格昂贵，因而希望有能把液氦汽化的氦化再液化的小型高效率制冷机。
如果把以往的气体压缩－膨
胀式制冷机小型化，必须把压缩机变小，这样将使制冷效率大大降低。
因此，为了满足液化氦气的需求，人们加速研制低温（4~20K）磁致冷材料和装置，经过多年的努力，目前低温磁致冷技术已经达到实用化。
低温磁致冷技术所使用的磁致冷材料主要是稀土石榴石Gd3Ga5O12（GGG）和Dy3Al5O12（DAG）单晶。
使用GGG或DAG等材料做成的低温磁致冷机属于卡诺磁致冷循环型，起始制冷温度分别为16K和20K。
目前，磁致冷材料、技术和装置的研究开发，美国和日本居领先水平，这些发达国家都把磁致冷技术研究开发列为21世纪初的重点攻关项目，投入了大量的资金、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。
2．磁致冷材料的特性
所谓磁致冷就是利用磁性体的磁矩再无序态（磁熵大）和有序态（磁熵小）之间来回变换的过程中，磁性体放出或吸收热量的冷却方法。
为了达到高效率，磁性体必须具备以下特性。
1．根据磁场的变化，产生的磁熵变化要大。
即放热－吸热量大，在一个周期内的冷却效率高。
2．晶格的热振动要小，热量不至于通过振动消耗掉。
3．热传导率高，进行一个循环周期所需时间短。
4．具有高的电阻率，以减少磁场变化引起的感应涡流产生大的热效应。
满足这些条件的材料中，目前使用的磁性体有钆－镓－石榴石Gd3Ga5O12（GGG）或镝－铝－石榴石Dy3Al5O12（DAG）等，这些材料的特点是工业生产中能得出大而完整的单晶。
3．不同温区的磁制冷材料
不同温区的磁致冷材料具有不同的特性，其磁致冷材料的性能表征为：磁致冷材料包括极低温（20K以下）顺磁材料和高温铁磁或亚铁磁材料，一般顺磁材料的磁熵变|△S M|>>S L（晶格体系熵）；而铁磁或亚铁磁材料的△S M与S L相差不是很大，甚至|△S M |<S L，△S M在居里点Tc附近最大。
磁致冷材料的磁致冷性能主要取决于以下几个特性：居里点Tc，外加磁场H、磁热效应MCE和磁比热容C H。
Tc指从高温冷却时，发生顺磁－铁磁磁相变的转变温度；H 指对磁致冷材料进行磁化时所施加的外部磁场，对同一磁致冷材料而言，H越大，磁热效应就越大（但H越大，磁致冷成本越高）；MCE一般用在Tc时一定外场H下的等温磁熵变|△S M|或绝热磁化时材料自身的温度变化△Tad来表征，在相同外场条件下，若|△S M|或△Tad越大，则该材料的磁热效应就越大；磁比热容C H是指在外磁场H下磁致
冷材料的比热，在同样|△S M|或△Tad时，磁比热容越大，热交换性能越好，致冷性能越好。
综上所述，居里点限定了铁磁性磁致冷材料的应用温度区间；一定外场H下的磁热效应（|△S M|或△Tad）表征了磁致冷材料在该磁场下的磁致冷能力。
4．纳米稀土磁致冷复合材料
磁致冷技术具有高效节能和不使用氟利昂而收到国内外研究者们的青睐和重视，但由于它对高磁场的苛求以及材料有效磁尔磁系U eff的限制，使得实用的低磁场磁致冷材料的研究几乎陷入停滞不前的局面，但随着纳米固体理论的发展及其对其他各学科的交叉渗透，特别时对新型纳米磁性材料方面的研究又为打破低磁场磁致冷材料的研究中出现的僵局带来了极大的希望。
首先是Michad RD和Bennett LH et al 采用超顺磁理论对纳米固体体系的磁熵的理论分析得出纳米体系的磁熵将超过大块状材料的磁熵值这一具有突破性进展的结论，并为随后的Shull R D 在纳米GGIG晶体实验中所证实。
目前，纳米稀土磁致冷复合材料是采用急冷快淬、高能球磨及粉末包覆轧制方法来制备的，已制备出Gd-Y、Gd-Zn和Gd-Tb的纳米固体复合磁致冷材料。
对所制备的稀土纳米磁致冷复合材料进行各项测试，其具有的特征为：
大块状材料制备成光滑均匀具有一定韧性的复合工质薄带后，磁热熵效应△T分别有所下降（Gd-Zn和Gd-Tb）和上升（Gd-Y）。
纳米粉末的比热容较大块状材料有所增加（25.5％～57.9％），这是因为纳米材料的界面体积百分数大于常规大块状材料，而界面原子分布比较混乱，因此纳米材料的熵对比热容的贡献更大。
纳米粉末的居里温度较大块状材料明显降低（15K左右），其原因有两个方面：1）纳米微粒由于小尺寸效应和表面效应导致纳米粒子的本征和内禀磁性的变化而致；2）纳米粒子的原子间距随粒径下降而减小，导致交换积分J e的减小而致（居里温度通常与交换积分J e成正比）。
关于磁热熵效应，纳米Gd-Zn、Gd-Tb合金降低，但Gd-Y系在室温区测试超大块状材料，为进一步探讨具有增强磁热熵效应的新型纳米磁致冷材料打下了基础。
5.稀土磁致冷材料的应用
随着世界节能和环保的需要，各国对近室温磁致冷的研究有了重大的进展。
这主要表现在：1）磁致冷原理样机的出现以及它对传统的气体压缩制冷机的挑战；2）巨大的磁热材料Gd5（Si x Ge1－x）4的发现，它给磁致冷机的应用打开了大门。
磁致冷是使无害、无环境污染的稀土材料作为制冷工质，若使用磁致冷取代目前使用的氟利昂制冷剂的冷冻机、电冰箱、电冰柜及空调器等，可以消除由于生产和使用氟利昂类制冷剂所造成的环境污染和大气臭氧层的破坏，因而能保护人类的生存环境，具有显著的环境和社会效益。
低温磁致冷装置具有小型化和高效率等独特优点，广泛应用于低温物理、磁共振成像仪、粒子加速器、空间技术、远红外探测及微波接收等领域，某些特殊用途的电子系统在低温环境下，其可靠性和灵敏度能够显著提高。
