稀土永磁材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用體現(xiàn)了我國(guó)戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的重大發(fā)展需求方向，稀土永磁產(chǎn)業(yè)不僅是稀土應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展最快、規(guī)模最大的產(chǎn)業(yè)，也是最大的稀土消耗領(lǐng)域。隨著燒結(jié)釹鐵硼磁體在風(fēng)力發(fā)電、混合動(dòng)力汽車/純電動(dòng)汽車和節(jié)能家電及低碳經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域中的應(yīng)用需求飛速增加，雙高磁體(高磁能積和高矯頑力)和低成本磁體成為研發(fā)的主要方向【3.6】。粘結(jié)稀土永磁材料具有形狀自由度大、一致性好、原料利用率高、近凈成形等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于信息產(chǎn)業(yè)、辦公自動(dòng)化、消費(fèi)電子、家用電器和汽車等高新技術(shù)領(lǐng)域，成為燒結(jié)稀土永磁材料的一個(gè)重要補(bǔ)充7-9。
我國(guó)是全球最大的釹鐵硼永磁材料生產(chǎn)國(guó)。2016年全球燒結(jié)釹鐵硼磁體產(chǎn)量近12萬(wàn)噸，其中中國(guó)為10.7萬(wàn)噸，約占全球的89%。
特種稀土磁性材料
特種稀土磁性材料主要分為磁致伸縮材料、磁制冷材料和微波磁性材料等。磁致伸縮效應(yīng)是指鐵磁材料在施加磁場(chǎng)后的彈性形變現(xiàn)象。近年來(lái)磁致伸縮材料受到人們的廣泛關(guān)注，作為一種關(guān)鍵的能量轉(zhuǎn)換材料用于傳感器、發(fā)生器、線性馬達(dá)、作動(dòng)器、泵閥器件、位移器件和水下掃描聲吶等。目前的研究熱點(diǎn)主要是超磁致伸縮材料的性能改進(jìn)與應(yīng)用，開(kāi)發(fā)低場(chǎng)下大磁致伸縮，同時(shí)具有高的機(jī)械強(qiáng)度、窄滯后的新型磁致伸縮材料【10-16】。
La(Fe，Si)基化合物的最大磁熵變大于或至少相當(dāng)于Gd，(Si、Ge_)。系化合物，這一發(fā)現(xiàn)引起了人們對(duì)這類材料的研究興趣。美、日、歐等多國(guó)將La(Fe，Si)基磁制冷材料用于樣機(jī)試驗(yàn)，取得良好效果。中國(guó)科學(xué)院物理研究所團(tuán)隊(duì)研究了粉末粘結(jié)技術(shù)制備La(Fe，Si)基磁制冷材料，克服了一級(jí)相變材料循環(huán)過(guò)程容易開(kāi)裂、粉化的缺點(diǎn)，大幅改善了力學(xué)性能，抗壓強(qiáng)度達(dá)到192MPa。中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所利用粘結(jié)技術(shù)制備了薄片狀Lao.8CeaisFen.2SMna.25 SinsH，磁制冷材料，和丹麥技術(shù)大學(xué)合作在樣機(jī)上測(cè)量了制冷效果，室溫附近1T 磁場(chǎng)下獲得的冷、熱端最大溫跨達(dá)到6.4K。包頭稀土研究院在2015年設(shè)計(jì)、研發(fā)出了新型一體式室溫磁制冷冰箱，該制冷機(jī)磁場(chǎng)系統(tǒng)采用雙環(huán)雙組Halbach陣列磁場(chǎng)，最大磁場(chǎng)強(qiáng)度為1.5T17-22。
信息技術(shù)對(duì)高頻軟磁材料使用頻率的要求已從幾千赫茲拓展至上百兆赫茲，甚至是1GHz以上，對(duì)材料的要求也從傳統(tǒng)塊體延伸到薄片化、結(jié)構(gòu)化及磁性/非磁性復(fù)合材料。具有平面各向異性的稀土-3d金屬間化合物，飽和磁化強(qiáng)度可以達(dá)到1.5T，且相比于傳統(tǒng)材料，這類材料能在更高的頻率下保持高的磁導(dǎo)率【23.24】。隨著Fe元素替代量的增加，YFeCo，B(x=6~14)的飽和磁化強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。Fe原子被Co原子替代后，改變了某些晶位原子的局域環(huán)境，增強(qiáng)了3d過(guò)渡族原子之間的鐵磁耦合作用，從而提高了樣品的飽和磁化強(qiáng)度。此外，通過(guò)對(duì)成分的調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料易磁化方向的調(diào)控
稀土催化材料
催化技術(shù)可以產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。稀土元素具有獨(dú)特的4f電子層結(jié)構(gòu)，使其在石油裂化、機(jī)動(dòng)車尾氣凈化等催化劑表現(xiàn)出良好的助催化性能與功效，具有降低貴金屬用量并改善催化劑性能的作用。發(fā)展以稀土催化劑為核心的催化技術(shù)，提高相關(guān)反應(yīng)過(guò)程的效率，是稀土催化材料的發(fā)展方向和趨勢(shì)。發(fā)現(xiàn)和發(fā)展新結(jié)構(gòu)、新功能的稀土催化材料，擴(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域，是稀土催化材料發(fā)展的機(jī)遇。拓展鑭、鈰等輕稀土催化劑在石油化工、環(huán)境治理中的應(yīng)用，不僅有利于我國(guó)稀土資源的高效利用和稀土產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整，而且還有利于減緩日益突出的貴金屬資源供需矛盾。
充分發(fā)揮稀土與貴金屬協(xié)同作用，可極大地助推高性能汽油車尾氣催化劑的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。在復(fù)合稀土氧化物方面，國(guó)內(nèi)高校、科研院所在鈰鋯儲(chǔ)氧材料、鈰鋁復(fù)合材料及貴金屬與稀土氧化物相互作用等方面進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究。在活性氧化鋁研究方面，稀土、硅、磷改性方面，我國(guó)處于領(lǐng)先地位26-35
在其他新領(lǐng)域，如稀土催化材料在固體氧化物燃料電池的應(yīng)用、在摻雜鈦酸鋇基納米介電陶瓷材料的應(yīng)用、在陶瓷墨水中的應(yīng)用、在生物質(zhì)高效轉(zhuǎn)化，以及CO，捕集與利用等，也取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。在石化領(lǐng)域和機(jī)動(dòng)車尾氣凈化方面，開(kāi)拓稀土催化材料的應(yīng)用新領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)高豐度輕稀土資源的高質(zhì)化利用，促進(jìn)稀土材料產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義【36-38】。
稀土光功能材料是稀土應(yīng)用的主要領(lǐng)域之一。稀土發(fā)光材料約90%的需求來(lái)自節(jié)能照明和電子信息產(chǎn)業(yè)，目前已形成三大主流產(chǎn)品：照明用稀土發(fā)光材料、顯示用稀土發(fā)光材料以及信息探測(cè)等特種光源用稀土發(fā)光材料。我國(guó)是世界稀土發(fā)光材料第一生產(chǎn)國(guó)和第一大消費(fèi)國(guó)。近年來(lái)的新研究成果、新技術(shù)和新應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，不僅帶動(dòng)了傳統(tǒng)稀土光功能材料及其終端產(chǎn)業(yè)的更替與升級(jí)，也推動(dòng)了新的稀土光功能材料及其新產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)。
在照明領(lǐng)域內(nèi)，以白光LED為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體照明在20世紀(jì)90年代末出現(xiàn)。與傳統(tǒng)照明光源相比，白光LED具有更高的光效、更長(zhǎng)的壽命(數(shù)萬(wàn)小時(shí))。目前，國(guó)際上第三代半導(dǎo)體材料已經(jīng)取得了原理性的科學(xué)突破，即將進(jìn)入顛覆性技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用的階段，以第三代半導(dǎo)體材料、新型顯示等為代表的先進(jìn)節(jié)能器件進(jìn)入黃金發(fā)展時(shí)期【38-4】。
稀土儲(chǔ)氫材料
稀土元素作為安全有效的吸氫物質(zhì)，在固體儲(chǔ)氫方面得到了極大的應(yīng)用，稀土儲(chǔ)氫合金是能源環(huán)保領(lǐng)域重要的功能材料之一。稀土儲(chǔ)氫合金中稀土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為33%，主要以La、Ce輕稀土為主，是La、Ce輕稀土的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。稀土儲(chǔ)氫材料經(jīng)過(guò)多年的體系創(chuàng)新、成分優(yōu)化、結(jié)構(gòu)調(diào)制和表面改性研究性能逐年提高，在電化學(xué)儲(chǔ)氫和氣固相儲(chǔ)氫等方面得到大量應(yīng)用。近年來(lái)，可替代一次電池的低自放電鎳氫二次電池技術(shù)逐年進(jìn)步，混合動(dòng)力汽車銷量的增長(zhǎng)帶動(dòng)了稀土儲(chǔ)氫材料產(chǎn)銷量的增長(zhǎng)，風(fēng)能等間歇性新能源的儲(chǔ)存、燃料電池的高密度氫源，太陽(yáng)能光熱發(fā)電儲(chǔ)熱正逐漸成為稀土儲(chǔ)氫材料的應(yīng)用重點(diǎn)，稀土儲(chǔ)氫材料的研發(fā)向高性能化和低成本化的方向發(fā)展【42-47】。
我國(guó)自1993年儲(chǔ)氫材料和鎳氫電池產(chǎn)業(yè)化以來(lái)，2008年儲(chǔ)氫材料的年需求量最高達(dá)到12000t，其后由于稀土和Ni、Co的漲價(jià)及鋰離子電池的競(jìng)爭(zhēng)，年需求量逐步下降，近幾年一直處于8000t/a左右。1.1.1.6 稀土陶瓷材料
稀土元素在功能陶瓷中有著比在傳統(tǒng)陶瓷中更為廣泛、重要，甚至不可替代的作用。常見(jiàn)的有氧離子導(dǎo)體、介電、壓電、敏感陶瓷等。
氧化釔穩(wěn)定氧化鋯可以用來(lái)制備光纖連接器的稀土結(jié)構(gòu)陶瓷光纖插芯(精密針)和套筒，是光纖網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用面最廣并且需求量最大的光纖無(wú)源器件，是信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分。我國(guó)是全球最大的光纖陶瓷插芯供應(yīng)市場(chǎng)，2016年光纖陶瓷插芯產(chǎn)銷量分別達(dá)到了14.1億只和13.2億只，消費(fèi)納米復(fù)合氧化鋯約2800t。
Y.O、AlO、CeO等穩(wěn)定的ZrO四方相復(fù)合陶瓷具有優(yōu)異的物理和化學(xué)性能。釔穩(wěn)定的氧化鋯由于具有高的氧離子導(dǎo)電性且高溫穩(wěn)定性好，已成為目前制作氧傳感器的主要原料。目前，全球年消費(fèi)氧傳感器5億只，需氧化釔穩(wěn)定氧化鋯2500t，且每年需求量會(huì)有25%~30%增幅【48-57】。1.1.1.7 稀土超導(dǎo)材料
1986年美國(guó)IBM公司發(fā)現(xiàn)了含稀土的氧化物L(fēng)a-Ba-Cu-O系超導(dǎo)體，使高Tc 超導(dǎo)材料的研究有了重大突破。日本Fujikura公司、美國(guó)SuperPower公司、韓國(guó)SuNAM公司等多家公司先后成功研制出長(zhǎng)度超過(guò)100m，最長(zhǎng)達(dá)到1000m且能夠傳輸數(shù)百安培以上超導(dǎo)電流的第二代高溫超導(dǎo)帶材。我國(guó)采用TSMTG制備方法，在直徑30~50mmY-Ba-Cu-O超導(dǎo)單疇的批量化制備方面具有一定特色【58-60】。1.1.1.8 稀土鑄鐵材料
稀土是球墨鑄鐵生產(chǎn)使用的球化劑中的重要組成元素。以稀土作為主要成分的蠕化劑，拓寬了獲得蠕墨鑄鐵的工藝范圍。在灰鑄鐵中采用稀土硅鐵孕育劑、在白口合金鑄鐵中加入稀土變質(zhì)劑，均可有效地改善合金組織，提高性能。我國(guó)研究成功了具有高強(qiáng)度(σ≥1000MPa，最高可達(dá)到1600MPa以上)、高韌性(A≥11%)的奧氏體球鐵(ADI)，已在汽車、柴油機(jī)、拖拉機(jī)和工程機(jī)械的齒輪、曲軸和各種結(jié)構(gòu)件中應(yīng)用。離心球墨鑄鐵管也在我國(guó)得到迅猛發(fā)展，2016年產(chǎn)量達(dá)695萬(wàn)噸，裝備水平國(guó)際領(lǐng)先。軌道交通用低溫鐵素體球墨鑄鐵件在我國(guó)已經(jīng)大量使用，在基礎(chǔ)性研究和工業(yè)化生產(chǎn)基礎(chǔ)上，制訂了“軌道交通用低溫鐵素體球墨鑄鐵件”行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：在-50±2℃低溫條件下，最小沖擊功Aw 為12J61-63。
硅強(qiáng)化鐵素體球墨鑄鐵具有鑄造充型性能好、切削性能好、機(jī)加工成本低等優(yōu)點(diǎn)，被德國(guó)鑄造雜志評(píng)為“21世紀(jì)德國(guó)鑄造材料排位第一的新成果”。我國(guó)的共享集團(tuán)已對(duì)“硅強(qiáng)化鐵素體球墨鑄鐵”進(jìn)行了系統(tǒng)試驗(yàn)研究【64】。
蠕墨鑄鐵具有優(yōu)越的耐熱疲勞性能。近年來(lái)，我國(guó)采用稀土蠕化劑制造的高端蠕墨鑄鐵件成功應(yīng)用于以下方面：生產(chǎn)柴油機(jī)的蠕墨鑄鐵缸蓋，利用蠕墨鑄鐵良好的力學(xué)性能和高熱導(dǎo)率等材質(zhì)特點(diǎn)，較大幅度地提高了缸蓋的耐熱疲勞性能;在溫度(熱)交變工況下工作的零件，如汽車排氣管、增壓器殼體、鋼錠模、焦?fàn)t配件、制動(dòng)零件和玻璃模具等;應(yīng)用于要求致密性很高的鑄件，如液壓元件等6667。
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