1、第二课 稀土材料1.1 稀土永磁材料 1.2 稀土超磁致伸缩材料 1.3 稀土超导体材料 1.4 稀土磁光材料 1.5 稀土磁致冷材料 1.6 稀土激光材料 1.7 稀土贮氢材料 1.1 稀土永磁材料 一、稀土永磁材料 稀土永磁材料是将钐、钕混合稀土金属与过渡金属（如钴、铁等）组成的合金，用粉末冶金方法压型烧结，经磁场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1530MGOe 之间，NdFeB 系永磁体的磁能积在 2750MGOe 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
2、有储量稀少的稀土金属钐和稀缺、昂贵的战略金属钴，因此，它的发展受到了很大限制。我国稀土永磁行业的发展始于 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、通讯等产业的发展，稀土永磁特别是 NdFeB 永磁产业得到了飞速发展。 稀土永磁材料是现在已知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，比铁氧体、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。由于稀土永磁材料的使用，不仅促进了永磁器件向小型化发展，提高了产品的性能，而且促使某些特殊器件的产
3、生，所以稀土永磁材料一出现，立即引起各国的极大重视，发展极为迅速。我国研制生产的各种稀土永磁材料的性能已接近或达到国际先进水平。 现在稀土永磁材料已成为电子技术通讯中的重要材料，用在人造卫星，雷达等方面的行波管、环行器中以及微型电机、微型录音机、航空仪器、电子手表、地震仪和其它一些电子仪器上。目前稀土永磁应用已渗透到汽车、家用电器、电子仪表、核磁共振成像仪、音响设备、微特电机、移动电话等方面。在医疗方面，运用稀土永磁材料进行“磁穴疗法”，使得疗效大为提高，从而促进了“磁穴疗法”的迅速推广。在应用稀土的各个领域中，稀土永磁材料是发展速度最快的一个。它不仅给稀土产业的发展带来巨大的推动力，也对许多
4、相关产业产生相当深远的影响。 二、稀土永磁材料分类 1 稀土钴永磁材料，包括稀土钴（1-5 型）永磁材料 SmCo5 和稀土钴（2-17 型）永磁材料Sm2Co17 两大类。 2 稀土钕永磁材料，NdFeB 永磁材料。 3 稀土铁氮（RE-Fe-N 系）或稀土铁碳（RE-Fe-C 系）永磁材料。 三、稀土永磁材料制备工艺分类 1 粉末冶金烧结工艺制备的烧结磁体； 2 还原扩散制粉或氢碎处理粉末及粉末冶金烧结工艺制备的烧结磁体； 3 快速凝固制粉或氢碎制粉（HDDR），粉末模压粘结工艺制备的粘结磁体； 4 快速凝固制粉或氢碎（HDDR）粉末的注射工艺制备的注射磁体； 5 快速凝固制粉或氢碎（HD
5、DR）粉末的热压法制备的热压磁体； 6 用热压磁体再进行热变形压工艺制备的各向异性热变形压磁体； 7 将热变形压磁体磨制成粉，再采用模压或注射等方法制备成各向异性粘结磁体。 四、稀土永磁材料的主要应用 永磁体最基本的作用是在某一特定的空间产生一恒定的磁场，维持此磁场并不需要任何外部电源。标志永磁材料好坏的参数有许多，最重要的是最大磁能积(BH)max ，磁能积越大，材料每单位体积所产生外磁场的能量就越大。目前商品 NdFeB 永磁材料的最大磁能积已达到：50MGOe。由于稀土永磁材料的高磁能积和高矫顽力等优异的特性，已给永磁应用带来革命性的变化，稀土永磁材料主要应用在以下几个方面：1机电类 稀
6、土永磁体的出现，意味着电机领域将引起革命性的变化。这是因为稀土永磁体没有激磁损耗，不发热，用它制造的电机优点很多。因稀土永磁电机没有激磁线圈与铁心，磁体体积较原来磁场极所占空间小，没有损耗，不发热，因此为得到同样输出功率整机的体积，重量可减小 30%以上，或者同样体积、重量，输出功率大 50%以上。 永磁电机，尤其是微电机，每年世界产量约几亿台之多，主要用在汽车、办公自动化设备和家用电器中。所使用的多为高性能的铁氧体和稀土永磁体。 今后稀土永磁电机的最大市场之一将是汽车工业。钕铁硼永磁材料性能优异，用于制造电机，可以实现汽车电机“钕铁硼化”。在汽车方面，只有用小马达，才能降低汽车重量，增加舒适
7、感，提高安全性，降低尾气排放，提高汽车的整体性能，目前用量最大的是启动电机。电机是汽车中不可缺少的部件，汽车上电机数量在逐年增加。一般汽车上有 818 台，高级轿车多达 4050 台，随着汽车工业的发展，汽车电机的需求是巨大的。高磁能积的稀土永磁体体积小，却能较铁氧体产生大得多的动力，因此提高了电效率。通过使用稀土磁体减少重量和尺寸，可以节约更多的燃料和增加设计的灵活性。 2稀土永磁材料在医疗中的应用 3磁选机 一般的磁选机有永磁式和电磁式两种，以前，永磁式磁选机的磁体多用铁氧体。稀土永磁出现后，设计并制造了各种型号和类型的永磁磁选机，尤其是在中高磁场磁选机中，必须用稀土永磁体。 4计算机及外
8、围设备 在计算机中使用的稀土永磁材料最多的器件是磁盘驱动电机（VCM），另一种是数据输出打印机电机。 5各种仪表 使用永磁体的仪表种类很多，如磁电式仪表、计数器等。 6扬声器和耳机 扬声器和耳机是永磁体传统应用领域。扬声器有外磁式和内磁式二种，稀土永磁出现后在同样输出功率与音质下，扬声器被做得非常小，目前稀土永磁扬声器和耳机已应用到高级随身听。 7微波器件 在微波领域中，微波管、毫波管发生器或放大器需要稳定磁场。稀土永磁体在此中主要起电子运动的聚集作用。 五、稀土永磁材料现状及未来发展趋势 近年来稀土永磁材料在国内的应用发展很快，目前已应用于一般电机、大电机如磁力泵、磁选设备、永磁吊车和家用电
9、器等方面。但与西方国家相比，我国生产的钕铁硼磁体，包括出口，用得最多的是音响器件（中国是全球最大的扬声器生产者，国产钕铁硼有近一半用于制造扬声器），其次是电机和油井除蜡器。而在音圈马达等国外用量最多的领域，我国的应用还很少。其原因在于这两个应用领域所用的磁体，不仅要求磁性能高，均匀性、一致性好，而且要求加工精度高，镀层质量好，国内大多数厂家的产品难于满足上述使用要求。因此，一般只能生产中、低档产品，满足一般的使用要求，磁体的售价也远低于国际市场的钕铁硼价格。 在日本烧结稀土磁体主要用于计算机硬盘驱动装置上的音圈马达（VCM）中，其次是稀土粘结磁体在计算机方面，如光盘只读存贮器（CD-ROM）的
10、主轴马达等， 1994 年这种磁体在计算机方面的用量约占总用量的一半。 日本 NdFeB 生产是仅有几个大厂支撑的，而我国 70%的生产量是由不到年产 30 吨的钕铁硼厂提供的，因而我国一般只能提供磁能积为 2840MGOe 的 NdFeB，而日本商品牌号 NdFeB 可到50 MGOe 水平。到本世纪末磁能积 55MGOe 的 NdFeB 将进行商品化生产，因而销售价格相差可高达 8 倍。使我国 NdFeB 生产产品高档化，应是 NdFeB 生产的当务之急。 NdFeB 前景非常广阔。因为 NdFeB 的潜在市场仍然看好，每台汽车上的永磁马达将从 1995年的 20 个增加到 2005 年的
11、 31 个，预计到 2005 年，汽车中使用的粘结磁体将达到 12000 吨/年，年增长率达到 64%。随着电脑生产的快速增长，所用 NdFeB 的数量也是很大的，另一个潜在市场是下一世界 MRI 的普及使用，这些应用都将维持 NdFeB 生产的快速增长。 展望 21 世纪，个人电脑的销售量在西方国家将维持 20%增长，而我国对电脑需求的增长远远超过 20%的增长率，因而 NdFeB 在 VCM 上应用的需求将会成倍增长。NdFeB 永磁体在电脑中硬盘驱动器及其它电机的应用，应是 NdFeB 永磁后延应用发展的重要方向。1.2 稀土超磁致伸缩材料 磁性材料由于磁场的变化，其长度和体积都要发生微
12、小的变化，这种现象称为磁致伸缩。其中长度的变化称为线性磁致伸缩，体积的变化称为体积磁致伸缩。体积磁致伸缩比线性磁致伸缩要弱得多，一般提到磁致伸缩均指线性磁致伸缩。磁致伸缩效应是 1842 年由焦耳发现的，故又称焦耳效应。长期以来，作为磁致伸缩材料的主要是镍、铁等金属或合金，由于磁致伸缩值较小，功率密度不高，故应用面较窄。主要用于声纳、超声波发射等方面。 一、稀土超磁致伸缩材料 稀土超磁致伸缩材料是国外八十年代末新开发的新型功能材料。主要是指稀土-铁系金属间化合物。这类材料具有比铁、镍等大得多的磁致伸缩值，其磁致伸缩系数比一般磁致伸缩材料高约 102103 倍，因此被称为大或超磁致伸缩材料。并且
13、机械响应快、功率密度高，在所有商品材料中，稀土超磁致伸缩材料是在物理作用下应变值最高、能量最大的材料。特别是铽镝铁磁致伸缩合金（Terfenol-D）的研制成功，更是开辟了磁致伸缩材料的新时代，Terfenol-D 是70 年代才发现的新型材料，该合金中有一半成份为铽和镝，有时加入钬，其余为铁，该合金由美国依阿华州阿姆斯实验室首先研制成功，当 Terfenol-D 置于一个磁场中时，其尺寸的变化比一般磁性材料变化大，这种变化可以使一些精密机械运动得以实现。铽镝铁开始主要用于声纳，目前已广泛应用于多种领域，从燃料喷射系统、液体阀门控制、微定位到机械致动器、太空望远镜的调节机构和飞机机翼调节器等领
14、域。它具有比传统的磁致伸缩材料和压电陶瓷高几十倍的伸缩性能。所以可广泛用于声纳系统、大功率超大型超声器件、精密控制系统、各种阀门、驱动器等，是一种具有广阔发展前景的稀土功能材料。这种材料的发展使电-机械转换技术获得突破性进展。对尖端技术、军事技术的发展及传统产业的现代化产生了重要作用。 美国前沿技术(Edge Technologies)公司 1989 年开始生产稀土大磁致伸缩材料，其商品牌号为 Terfenol-D，随后瑞典 Feredyn AB 公司也生产、销售稀土大磁致伸缩材料，产品牌号为Magmeg 86，近 10 多年来，日本、俄罗斯、英国和澳大利亚等也相继研究开发出 TbDyFe2
15、型磁致伸缩材料，并有少量产品销售。稀土磁伸材料主要用于制作大功率声纳，后者广泛应用于水下通讯、制导、捕鱼、油井及地质探测等。其它应用包括阀门控制、精密车床、机器人、蠕动马达、阻尼减振、延迟器及传感器等。稀土磁致伸缩材料的开发与应用，日益受到人们的关注，产量及市场消费量增长非常迅速。据美国前沿技术公司统计，全世界 Terfenol-D 合金产量，1989 年仅为 100kg，1993 年约 1000kg，1995 年达到 10 吨，而到 1997 年已达到 70 吨。美国国内每年用于声纳等器件的 Terfenol-D 材料价值约数百万到 1 千万美元，声纳、油压机、机器人等器件的市场金额每年约
16、6 亿美元。最近 5 年来，Terfenol-D 的市场年增长率为 100%。近期，美国宇航局与 Energen 公司签约，投资开发新一代太空望远镜用致动装置。 二、Terfenol-D 材料的应用器件 1声纳 一般的声纳发射频率都在 2kHz 以上，但是低于此频率的低频声纳有其特殊的优越性：频率越低、衰减越小、声波就传得越远，同时频率低受到水下无回声屏蔽的影响就越小，用Terfenol-D 材料制做的声纳可以满足大功率、小体积、低频率的要求，所以发展较快。 2电-机换能器 主要用于小型受控动作器件致动器。包括控制精度达纳米级，以及伺服泵、燃料注入系统、制动器等。它们用于汽车、飞机、航天器、机
17、器人、精密机床、精密仪器、计算机、光通讯、印刷等。 传感器和电子器件 如袖珍测磁仪、探测位移、力、加速度的传感器以及可调谐的表面声波器件等。后者用于雷达、声纳的相位传感器和计算机的存储元件。 三、稀土磁致伸缩材料发展现状 近几年来，国外研制了近千种应用器件，批准的美国专利已超过一百多件，据专家分析，在 2015 年之前，Terfenol-D 的市场将包括以下几部分：在运输业的主要产品为刹车线、燃料注入、降噪减震、阀和泵以及线性马达。在航空、航天、航海及其它部门中的应用器件除声纳外，还包括线性马达、致动器、液体动力系统、薄膜、传感器和降噪减震系统。在加工、制造中的应用包括精密定位系统、印刷业的雕
18、版打印头、精密机床的工具定位和主动减震，用于机械手、机器人等各种自动化设备的致动器和马达及传感器等。 我国几个重要研究单位于 90 年代前后开始研究 TbDyFe 晶体磁致伸缩材料，如中科院物理所、金属所、包头稀土院、北京科技大学等，虽然实验室研究达到了较高水平，但目前都没有实现规模生产。近几年来，稀土超磁致伸缩材料的应用研究在国内也得到了重视，在声纳、精密机械、高速阀门等方面应用取得了一些进展。稀土超磁致伸缩器件研究已列入国家“九五”攻关项目。1.3 稀土超导体材料 一、稀土超导材料 当某种材料在低于某一温度时，出现电阻为零的现象即超导现象，该温度即是临界温度（Tc）。超导体是一种抗磁体，低
19、于临界温度时，超导体排斥任何试图施加于它的磁场，这就是所谓的迈斯纳效应。在超导材料中添加稀土可以使临界温度 Tc 大大提高，一般可达7090K，从而使超导材料在价廉易得的液氮中使用，这就大大地推动了超导材料的研制和应用的发展。 超导现象是 1911 年由一位荷兰物理学家首先发现的，当水银温度降低到 43K 时，水银便失去了电阻。随后超导体的研究开发一直在进行，到 1973 年，科学家们制得一种铌锗合金，其临界温度是 23.3K。1986 年发现一些新的超导体，超导研究也因此取得了突破性进展，当时发现一种镧钡铜氧陶瓷，其临界温度为 35K。1987 年 2 月又发现 YBa2Cu3O7-x 高温
20、超导体的临界温度达 90K 以上，大大超过了氮的沸点（77K）。新型稀土高温材料可以在液氮温度下工作。二、超导材料主要应用领域 1基础科学 利用超导装置可以正确测量磁场强度，磁通量、电流、电压、电磁能等许多物理量，而且这种仪器分辨能力极高，如超导量子干涉仪可以正确测量人的心磁、脑磁以及地磁。普通超导体的最大应用市场是在低温物理研究领域，首先应用于探测器、焊接设备及粒子加速器。2电子工业 电子工业有可能是新型超导体的第一个销售市场，在计算机上采用高温超导材料有两大优点：一是它减少了为冷却约瑟夫森装置所需的致冷；二是它通过回忆信号传递速度，改善了具有普通芯片的机器性能。在计算机中大规模应用高温超导
21、薄膜可以加快计算速度。其运算速度比硅器件快 1000 倍。 电路的时间常数取决于电路的电阻和电容。如果没有电阻，时间常数减少到零，电路中的信号传递将会加速。在用半导体芯片的普通计算机里，可用加速元件开关速度的方法提高运行速度。电路可散布在芯片上，以保持冷却，但这样降低了运行速度。因为信号要走的距离长了，而约瑟夫森触点的开关时间仅有 10-12 秒，几乎没有热量产生。如果全部连线和电阻为零，则可大大减少热与功率的损耗。 3在发电和电力传输方面 在电力工程设施中，如发电机、电动机、变压器、电力传输线及储能系统中，由于线路有电阻，因此会有大量的电损耗并转变为热。由于超导体的电阻为零，YBa2Cu3O
22、7 陶瓷超导体的热导率很低，所以，它们在这方面的应用潜力很大。英国的 ICI 高级材料研究所用 YBa2Cu3O7线圈试制了一台发电机，当线圈转数为 1500 转/分时，发电机可产生 2.5V 的电压。目前超导体在电力设施中应用的主要问题是载流能力小，在超导体用于工业发电之前，仍需做大量的研究和试验工作。 在超导磁储能系统及电磁铁中使用高温超导线圈，会产生更强的磁场，因而会减少磁体的体积和重量，且不需铁芯。超导磁储能系统可以储存非高峰期多余的电能，以便高峰期使用。 超导体在能源方面的其他潜在应用领域有磁流体发电、热核发电及磁选机。磁选机除去煤矿中的硫，除去瓷土或矿石中的杂质。 4超导磁悬浮列车
23、 在列车车轮旁边安装小型超导磁体，在列车向前行驶时，超导磁体则向轨道产生强大的磁场，并和安装在轨道两旁的铝环相互作用，产生一种向上浮力，消除车轮与钢轨的摩擦力，起到加快车速的作用。高温超导体在悬浮列车上应用的研究集中在日本。 超导在运载上的其他应用可能还有用作轮船动力的超导电机、电磁空间发射工具及飞机悬浮跑道。5微波技术 微波技术是高温超导材料近期内可能得到重要应用的领域。近几年我国开展了多种超导微波器件的研究，制成的超导滤波器、超导天线、迟延线、振荡器、超导结型混频器等器件都具有国际先进水平。如为适应航天通讯需要研制的 4.5GHz 的 YBCO 超导体圆极化微带天线，在77K 温度下天线的
24、反射系数为 1.5dB，匹配良好，达到航天部超导磁窗项目要求。研制的超导微波带通滤波器，通带宽大于 1017550MHz，插损1.2dB，阻带 L40dB，驻波比1.5。超导量子干涉器件是可以测量微弱磁场的器件。“八五”期间重点进行了这种器件的制造并应用于大地磁测量项目。在双晶结、台阶结、台阶边缘结的器件研制方面取得的成果均接近世界先进水平。在与德国合作进行的大地磁测量上，取得较好效果。 6其它 医疗中利用超导体介子发生器可以治疗癌症，利用超导磁体可以治疗脑血管肿瘤。此外，军事上利用超导可以击毁导弹。 三、稀土超导材料的发展状况 人们预测，到本世纪末高温超导体将是稀土非常大的潜在市场。稀土超导
25、体可用于采矿、电子工业、医疗设备、悬浮列车及能源等许多领域。80 年代中期发现高温超导材料曾在世界范围掀起研究热潮。进入 90 年代，随着人们对高温超导材料认识的逐步加深，研究工作进入提高阶段，虽然从事超导研究的人员和发表的文章的数量减了下来，但各国对超导研究的投入并未减少。在这一背景下，我国超导研究也经历了适当缩小规模、突出重点和更加明确加强应用的变化过程。自近年在 Y-Ba-Cu-O 超导体研究方面取得重大突破以来，超导研究正在向实用化方向发展。总之，稀土在超导材料中的应用将越来越广泛，发展前途十分广阔。1.4 稀土磁光材料 一、稀土磁光材料 在磁场或磁矩作用下，物质的电磁特性（如磁导率、
26、介电常数、磁化强度、磁畴结构、磁化方向等）会发生变化。因而使通向该物质的光的传输特性也随之发生变化。光通向磁场或磁矩作用下的物质时，其传输特性的变化称为磁光效应。 磁光材料是指在紫外到红外波段，具有磁光效应的光信息功能材料。利用这类材料的磁光特性以及光、电、磁的相互作用和转换，可制成具有各种功能的光学器件，如调制器、隔离器、环行器、开关、偏转器、光信息处理机、显示器、存贮器、激光陀螺偏频磁镜、磁强计、磁光传感器、印刷机等。 稀土元素由于 4f 电子层未填满，因而产生：未抵消的磁矩，这是强磁性的来源，由于 4f电子的跃迁，这是光激发的起因，从而导致强的磁光效应。单纯的稀土金属并不显现磁光效应，这
27、是由于稀土金属至今尚未制备成光学材料。只有当稀土元素掺入光学玻璃、化合物晶体、合金薄膜等光学材料之中，才会显现稀土元素的强磁光效应。 二、稀土磁光材料的应用 磁光器件是指用具有磁光效应的材料制作的各类光信息功能器件。虽然 1845 年法拉弟就发现了磁光效应，但在其后一百多年中，并未获得应用。直到本世纪 60 年代初，由于激光和光电子技术的开发，才使得磁光效应的研究向应用领域发展，出现了新型的光信号功能器件磁光器件。在激光应用中，除探索各种新型的激光器和接收器外，激光束的参数，例如强度、方向、偏转、频率、偏振状态等的快速控制也是很重要的问题，磁光器件，就是利用磁光效应构成的各种控制激光束的器件，
28、类似微波铁氧体器件的发展和分类那样，因光通讯的需要，1966 年发展了磁光调制器、磁光开关、磁光隔离器、磁光环行器、磁光旋转器、磁光相移器等磁光器件。由于光纤技术和集成光学的发展，1972 年起又诞生了波导型的集成磁光器件。在 60 年代后期，因计算机存贮技术的发展，开发了磁光存贮技术。后来由于全息磁泡和光盘技术的日趋完善和商品化，从而出现了磁光印刷和磁光光盘系统。利用磁光效应研究圆柱状磁畴（磁泡）而发展了磁泡技术。因信息技术的需要，在 70 年代中后期，在磁泡技术的基础上，又发展了磁光信息处理机及磁泡显示器。激光陀螺的发展中遇到了“闭锁”问题，一度受挫，后来利用磁光效应，巧妙地克服了“闭锁”
29、，从而发展了一个全固态（无机械部件）的磁光偏频激光陀螺。因此，每一种新型的磁光器件，都是在研究磁光效应的基础上开发成功的。 1磁光调制器 磁光调制器是利用偏振光通过磁光介质发生偏振面旋转来调制光束。磁光调制器有广泛的应用，可作为红外检测器的斩波器，可制成红外辐射高温计、高灵敏度偏振计，还可用于显示电视信号的传输、测距装置以及各种光学检测和传输系统中。 2磁光传感器 用磁光效应来检测磁场或电流的器件称为磁光传感器。它集激光、光纤和光技术于一体，以光学方式来检测磁场和电流的强弱及状态的变化，可用于高压网络的检测和监控，还可用于精密测量和遥控、遥测及自动控制系统。 3磁光隔离器 在光纤通信、光信息处
30、理和各种测量系统中，都需要有一个稳定的光源，由于系统中不同器件的联接处往往会反射一部分光，一旦这些反射光进入激光源的腔体，会使激光输出不稳定，从而影响了整个系统的正常工作。磁光隔离器就是专为解决这一问题而发展起来的一种磁光非互易器件。它能使正向传输的光无阻挡地通过，而全部排除从光纤功能器件接点处反射回来的光，从而有效地消除了激光源的噪声。4磁光记录 磁光记录是近十几年迅速发展起来的高新技术。磁光记录是目前最先进的信息存储技术，它兼有磁盘和光盘两者的优点。磁光盘广泛应用于国家管理、军事、公安、航空航天、天文、气象、水文、地质、石油矿产、邮电通讯、交通、统计规划等需要大规模数据实时收集、记录、存储
31、及分析等领域，特别是对于集音、像、通讯、数据计算、分析、处理和存储于一体的多媒体计算机来说，磁光存储系统的作用是其它存储方式无法代替的。 磁光存贮是通过激光加热和施加反向磁场在稀土非晶合金薄膜上，产生磁化强度垂直于膜面的磁畴，利用该磁畴进行信息的写入，利用克尔磁光效应读出。 磁光盘是 80 年代开始应用的产品，光盘共有三大类。一种是只读式的，盘上记录的信号既不能擦除，也不能重写，只能读出，就象“唱片”一样，目前市售的 VCD 光盘即是。第二类是一次写入型，原光盘无记录，有如空白“磁带”，可录入信息和读出，但一旦录入信息就再也不能擦除。第三类是可擦重写的，如磁盘一样，可擦除、重写和读出。由于其写
32、、读皆通过材料的磁光效应，与盘无机械接触，故寿命长，反复擦、写可达上百万次（寿命大于 10 年以上，而一般光盘约为 2 年）。而且，磁光盘记录密度是硬磁盘的 50 倍，是普通微机软磁盘的8001000 倍以上，因此发展十分迅速。 磁光盘是以稀土元素（RE）铽、镝、钆等与过渡族金属（TM）铁、钴的非晶合金薄膜为记录介质。这种磁光记录薄膜是用 Tb-FeCo 等 RE-TM 合金靶材通过真空溅射沉积而成的，RE-TM合金靶材是制造磁光盘的关键材料。 日本等发达国家已于 1988 年将磁光盘系统推向市场，据报道，2000 年仅日本的磁光盘系统市场将达 1 万亿日元。1.5 稀土磁致冷材料 本世纪二十
33、年代末，科学家发现了磁性物质在磁场作用下温度升高的现象，即磁热效应。随后许多科学家和工程师对具有磁热效应的材料、磁致冷技术及装置进行了大量的研究开发工作。到目前为止，20K 以下的低温磁致冷装置在某些领域已实用化，而室温磁致冷技术还在继续研究攻关，目前尚未达到实用化的程度。 磁致冷材料是用于磁致冷系统的具有磁热效应的物质。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，达到致冷的目的。磁致冷材料是指用于磁致冷系统的具有磁热效应的一类材料，磁致冷材料是磁致冷机的核心部分，即一般称谓的制冷剂或制冷工质
34、。 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气化的氦气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要，人们加速研制低温（420K）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达到实用化。低温磁致冷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，起始致冷温度分别为 16K 和 20K。 低温磁致冷装置具有小型化和高效率等独特
35、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。 磁致冷是使用无害、无环境污染的稀土材料作为制冷工质，若取代目前使用氟里昂制冷剂的冷冻机、电冰箱、冰柜及空调器等，可以消除由于生产和使用氟里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。 1987 年 80 多个国家参加签署的关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书规定，为了防止生产和使用氟氯碳类化合物造成的大气臭氧层的破坏，到 2000 年全世界将限制和禁止使用氟里昂制冷剂，我国于 1991
36、年 6 月加入这个国际公约并作出规定，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氟里昂制冷剂的其它类型制冷技术。迄今，在有关这方面的研究开发中，发现磁致冷是制冷效率高，能量消耗低，无污染的制冷方法之一。从目前美国室温磁致冷技术研究进展情况看，在 3 到 5 年内，室温磁致冷技术有可能在汽车空调系统中得到实际应用之后，并将进一步开发家用空调和电冰箱等磁致冷装置。 磁致冷所用的制冷材料基本都是以稀土金属为主要组元的合金或化合物，尤其是室温磁致冷几乎全是采用稀土金属 Gd 或 Gd 基合金。 目前，磁致冷材料、技术和装置的研究
37、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本世纪末 21 世纪初的重点攻关项目，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。1.6 稀土激光材料 一、稀土激光材料 激光是一种新型光源，它具有很好的单色性、方向性和相干性，并且可以达到很高的亮度。与激光技术相应发展起来的各种晶体，如非线性晶体，能对激光束进行调频、调幅、调偏及调相作用；能修正传输过程中激光图像的畸变；热电探测晶体能灵敏地探测到红外光等。这些特性使激光很快就应用到工、农、医和国防部门。 激光与稀土激光材料是同时诞生的。到目前为止，大约 90%的激光材料都涉及到稀土。自从 1960
38、年在红宝石中出现激光以来，同年就发现用掺钐的氟化钙(CaF2:Sm2+)可输出脉冲激光。1961 年首先使用掺钕的硅酸盐玻璃获得脉冲激光，从此开辟了具有广泛用途的稀土玻璃激光器的研究。1962 年首先使用 CaWO4:Nd3+晶体输出连续激光，1963 年首先研制稀土螯合物液体激光材料，使用掺铕的苯酰丙酮的醇溶液获得脉冲激光，1964 年找出了室温下可输出连续激光的掺钕的钇铝石榴石晶体（Y3Al5O12:Nd3+），它已成为目前获得了广泛应用的固体激光材料，1973 年首次实现铕-氦的稀土金属蒸气的激光振荡。由此可见，在短短的十多年里，稀土的固态、液态和气态都实现了受激发射。在激光工作物质中，
39、稀土已成为一族很重要的元素。这都与它具有特殊的电子组态、众多可利用的能级和光谱特性有关。 稀土激光材料可分为：固体、液体和气体三大类。但后两大类由于其性能、种类和用途等远不如固体材料。所以一般说稀土激光材料通常是指固体激光材料。固体材料分为晶体、玻璃和光纤激光材料，而激光晶体又占主导地位。 二、稀土固态激光材料 稀土晶体激光材料 目前已知约有 320 种激光晶体，主要是含氧的化合物或含氟的化合物，其中约 290 种是掺入稀土作为激活离子的，即稀土激光晶体约占 90.6%，稀土中已实现激光输出的有Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb 等，尽管激光晶体很多，但重要的只有
40、数十种，而实用的更少。典型的、优良的激光晶体有如下几种： （1）稀土石榴石体系（YAG） YAG 是目前国内外研究、开发和应用最活跃的体系，其中掺钕钇铝石榴石晶体（YAGNd）性能最好，用途最广，产量最大。它用作重复频率高的脉冲激光器。近年来开发了效率更高的掺钕和铬的钆钪镓石榴石。 （2）掺 Nd 的铝酸钇体系 YAlO3Nd(YAPNd) YAP 属正交晶系，具有各向异性，故可利用晶体的不同取向而得到不同的激光特性。另外YAP 晶体的长生速度比 YAG 快。输出功率不易饱和。其缺点是在高温下存在相不稳定性，热膨胀系数各向异性，致使晶体在生长过程中易出现开裂、色心和散射颗粒等缺点。 （3）氟化
41、锂钇（YLF）激光材料 YLF 是一种优良的激光基质，其中很多稀土激光离子都实现了激光输出。它的优点是受光辐照后，不产生色心而变色，基质吸收的截止波长移向短波。YLF：Nd 晶体荧光寿命长，发射截面积大，适合二极管的泵浦的激光晶体。 稀土玻璃激光材料 在玻璃中可产生激光的稀土激活离子比在晶体中少，目前已知有 Nd、Er、Ho、Tm 等三价离子。稀土玻璃激光材料的优点是：易于制备，利用热成型和冷加工工艺可制得不同大小尺寸和形状的玻璃，灵活性比晶体大，既可拉成直径小至微米的纤维，又可制成几厘米直径和几米长的棒或圆盘。稀土玻璃是目前输出脉冲能量最大、输出功率最高的固体激光材料，用这种激光材料制成的大
42、型激光器用于热核聚变的研究中。 化学计量激光材料 在这类激光材料中，稀土激活离子不是以掺杂的形式加入的，而是作为晶体的组分之一。其潜在的应用是用于集成光学、光通讯、测距，将来光计算机与半导体激光器将有一番竞争。 稀土上转换激光材料 目前实现的激光波长主要是红和红外波段，极缺蓝和绿激光波段，使激光的发展和应用受到影响。除倍频技术使长波长的激光转变为短波长激光外，近年来，人们利用发光学中的反斯托克斯效应，大力发展上转换激光材料，并使之达到实用化、商品化。 稀土光纤激光材料 随着集成光学和光纤维通迅的发展，需要有微型的激光器和放大器。90 年代起，信息高速公路对信息的传输提出了更高的要求，多媒体技术
43、要求能同时传送图、文、声、像，而且是高度清晰的声、像。信息高速公路要达到象样的高速，一般的光纤通信技术传送信息的速度差之甚远，希望能以超高速、超长距离方式传送信息需要跨越许多技术上的障碍，其中之一就是如何补充在长距离传送过程中光衰减的能量。所以光信号直接放大就成为尚待解决的课题。其中掺铒的光纤放大器能直接放大光信息，进行大容量、长距离通信，使光纤通信取得长足发展。 近年来对掺铒的光纤放大器的研制取得了很大的进展。将铒掺入普通石英光纤，再配以980 纳米、1480 纳米的两种波长的半导体激光器，就基本构成了直接扩大 1550 纳米光信号的光放大器。铒从高能态跃迁至基态时发射的光补充了衰减的信号光
44、，起到光放大的作用。为避免无用的吸收，光纤中铒的掺杂量为几十至几百 ppm，而且，在光密度高的芯的中心部分掺杂可获得高增益。三、稀土激光材料的应用器件 1YAGNd 激光器 这是用量最多、最成熟的激光晶体，对其需求占激光晶体的 90%左右，在未来 5 年内仍为主体。材料加工是激光器巨大市场之一。CO2 激光器与 YAGNd 激光器在材料加工方面销售量之比为 21。 2光存贮激光器 作为信息高速公路重要组成部分，市场潜力非常巨大，其中一部分属于光存储。提高存储密度的方法是用更短波长的激光，目前最佳选择是 808 微米的 LED 泵浦 YVO4Nd 晶体。 3微米激光器 Ho 和 Tm 激光器有很
45、大的市场潜力。由于 Ho 和 Tm 激光输出波长在 2 微米左右，与水的吸收峰相接近，有极好的对人体组织切割和凝血效果，可以用普通光纤传输，是理想的手术激光光源。美国已批准 20 多种 2 微米激光在医疗临床使用。可治疗多种疾病。2 微米激光对人眼安全，大气穿透好，可作为激光雷达光源，其综合性能优于 YAGNd 和 CO2 激光器。 4LED 泵浦的固体激光器 LED 泵浦固体激光器其效率比灯泵浦提高 10 倍，全固体化可靠性提高 100 倍，在光存储、微细加工、有线电视、遥感、雷达等科研方面有巨大市场。LED 泵浦激光材料目前主要有YAGNd、YAGTm、YVO4Nd、Y2SiO5Nd 等。
46、 四、稀土激光材料发展方向 稀土材料是激光系统的心脏，是激光技术的基础，由激光而发展起来的光电子技术，不仅广泛用于军事，而且在国民经济许多领域，如光通讯、医疗、材料加工（切割、焊接、打孔、热处理等）、信息储存、科研、检测和防伪等方面获得广泛应用，形成新产业。在军事上，稀土激光材料广泛应用于激光测距、制导、跟踪、雷达、激光武器和光电子对抗、遥测、精密定位及光通讯等方面。提高和改变各军种和兵种的作战能力和方式，在战术进攻和防御中起重大作用。高功率激光材料可装备激光致盲武器，以及光电对抗等武器。光发射二极管（LED）泵浦的激光晶体制成的激光器输出光束质量好，非线性移频效率高，可把毫瓦级的激光移频到蓝
47、光、绿光和红光区，用于光存贮、显示、遥感、雷达和科研等。 1985 1986 年全世界的激光器的销售额从 4.6 亿美元增加到 1996 年的 15 亿美元。平均年增长率为 11%。激光产品销售额的分布：美国占 45%、欧洲占 30%、太平洋地区占 25%。销售额占前六位应用领域是材料加工、医疗、光通讯、科学研究、光存储和测量设备。到下世纪初，光通讯、光存储和信息高速公路等光电子技术将得到飞速发展。我国激光产业的销售额从 1985年的 0.6 亿元上升到 1994 年的 5.82 亿元。平均每年以 32%的速度递增。 稀土激光材料 一、稀土激光材料 激光是一种新型光源，它具有很好的单色性、方向
48、性和相干性，并且可以达到很高的亮度。与激光技术相应发展起来的各种晶体，如非线性晶体，能对激光束进行调频、调幅、调偏及调相作用；能修正传输过程中激光图像的畸变；热电探测晶体能灵敏地探测到红外光等。这些特性使激光很快就应用到工、农、医和国防部门。 激光与稀土激光材料是同时诞生的。到目前为止，大约 90%的激光材料都涉及到稀土。自从 1960 年在红宝石中出现激光以来，同年就发现用掺钐的氟化钙(CaF2:Sm2+)可输出脉冲激光。1961 年首先使用掺钕的硅酸盐玻璃获得脉冲激光，从此开辟了具有广泛用途的稀土玻璃激光器的研究。1962 年首先使用 CaWO4:Nd3+晶体输出连续激光，1963 年首先研制稀土螯合物液体激光材料，使用掺铕的苯酰丙酮的醇溶液获得脉冲激光，1964 年找出了室温下可输出连续激光的掺钕的钇铝石榴石晶体（Y3Al5O12:Nd3+），它已成为目前获得了广泛应用的固体激光材料，1973 年首次实现铕-氦的稀土金属蒸气的激光振荡。由此可见，在短短的十多年里，稀土的固态、液态和气态都实现了受激发射。在激光工作物质中，稀土已成为一族很重要的元素。这都与它具有特殊的电子组态、众多可利用的能级和光谱特性有关。 稀土激光材料可分为：固体、液体和气体三大类。但后两大类由于其性能、种类和用途等远不如固体材料。所以一般说稀土
