内科大稀土功能材料课件02稀土磁性材料

第二章稀土磁性材料

Chapter2RareEarthMagneticMaterials稀土永磁材料超磁致伸缩材料稀土磁致冷材料稀土磁泡和磁光材料EnglishnamesofrareearthelementsLa—lanthanumCe—CeriumPr—PraseodymiumNd—NeodymiumPm—PromethiumSm—SamariumEu—EuropiumGd—GadoliniumTb—TerbiumDy—DysprosiumHo—HolmiumEr—ErbiumTm—ThuliumYb—YtterbiumLu—lutetiumSc—ScandiumY—yttrium2.1磁学基础

Magnetologybasis

具有强磁性的材料称为磁性材料。

磁性材料具有能量转换，存储或改变能量状态的功能，是重要的功能材料。磁性材料广泛地应用于计算机、通讯、自动化、音像、电视、仪器和仪表、航空航天、农业、生物与医疗等技术领域。磁性材料的分类

①按化学组成分类金属磁性材料、非金属(铁氧体)磁性材料

②按磁化率大小分类顺磁性、抗磁性、铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性

磁化率的概念

magneticsusceptibility

任何材料在外加磁场H的作用下都会产生一定的磁化强度M与其相应。①铁磁性物质Ferromagnetism

具有极高的磁化率，磁化易达到饱和的物质。如Fe，Co，Ni，Gd等金属及其合金称为铁磁性物质。磁矩的排列与磁性的关系铁磁性

m=10-2~106磁场

②亚铁磁性物质Ferrimagnetism

磁矩的排列与磁性的关系亚铁磁性

m=10-2~106磁场

如铁氧体(M2+Fe23+O4)等，是一些复杂的金属化合物，比铁磁体更常见。它们相邻原子的磁矩反向平行，但彼此的强度不相等，具有高磁化率和居里温度。③顺磁性物质

Paramagnetism

存在未成对电子→永久磁矩。La，Pr，MnAl，FeSO4·7H2O，Gd2O3…；在居里温度以上的铁磁性金属Fe,Co,Ni等。

居里温度由铁磁性或亚铁磁性转变为顺磁性的临界温度称为居里温度(Tc)。顺磁性

m=10-6~10-5磁场

磁矩的排列与磁性的关系④抗磁性物质Diamagnetism不存在未成对电子→没有永久磁矩。惰性气体，不含过渡元素的离子晶体，共价化合物和所有的有机化合物，某些金属和非金属。磁矩的排列与磁性的关系抗磁性

m=-10-5~-10-6磁场

⑤反铁磁性物质antiferromagnetism

FeO，FeF3，NiF3，NiO，MnO，各种锰盐以及部分铁氧体ZnFe2O4等，它们相邻原子的磁矩反向平行，而且彼此的强度相等，没有磁性。反铁磁性

m=10-2~10-5磁场

磁矩的排列与磁性的关系

③按功能分类软磁材料、硬磁材料、半硬磁材料、矩磁材料、旋磁材料、压磁材料、泡磁材料、磁光材料、磁记录材料

2.2稀土永磁材料基本概念

RareEarthPermanentMagnetismMaterials一、永磁材料的技术磁参量非结构敏感参数：主要由材料的化学成分和晶体结构来决定，也称为内禀磁参量。饱和磁化强度Ms，居里温度Tc结构敏感参数：强烈地依赖材料的结构和微观结构，例如晶粒尺寸，晶粒取向，晶体缺陷，掺杂物机械加工及热处理条件等有关。

剩磁Mr、矫顽力Hc、磁能积（BH）max、磁各项异性HA.1.饱和磁化强度Ms

SaturationMagnetization定义：在给定的温度下，给定的材料能达到的磁化强度最大值。永磁材料的Ms越高越好，它标志着材料的最大磁能积和剩磁可能达到的上限值最高。单位名称为安每米，单位符号为A/m2.居里温度Tc

Curie

temperature

铁磁性或亚铁磁性转变成顺磁性时对应的临界温度。Tc越高，永磁材料的使用温度越高，温度稳定性好。3.磁能积（BH）max

MagneticEnergyProduct

磁铁在空气隙中产生的磁场强度除了与磁铁体积、气隙体积有关外，主要决定于磁铁内部的磁感应强度B和磁铁的退磁场H的乘积。因此BH代表永磁体的能量，称为磁能积。(BH)m称为最大磁能积。磁畴结构在外磁场的作用下，从磁中性状态到饱和状态的过程，称为磁化过程。磁畴结构在外磁场的作用下，从饱和状态返回到退磁状态的过程，称为反磁化过程。4.剩磁BrRemanence

永磁体经磁化至技术饱和，并去掉外磁场后，所保留的磁性，Mr称为剩余磁化强度，Br称为剩余磁感应强度。5.矫顽力

CoerciveForce铁磁体磁化到饱和以后，使它的磁化强度或磁感应强度降低到零所需要的反向磁场成为矫顽力。用Hc表示。

Hci表示内禀矫顽力

Hcb表示磁感矫顽力矫顽力是衡量磁体抗退磁能力的一个物理量。在磁体使用中，Hc越高，表示温度稳定性越好。6.各向异性场HAAnisotropyfield沿难磁化轴磁化到饱和所需要的磁化场称为各向异性场HA。物质中相对于一给定参照系的各不同方向上，物质具有不同的磁特性的现象。人们习惯按矫顽力Hc的高低，对磁性材料进行分类：

0.08A/m<Hc<80A/m软磁材料

80A/m<Hc

<1000A/m半硬磁材料

Hc

≥1000A/m硬磁材料

硬磁材料经充磁至饱和，去掉外磁场后，仍能保留其磁性，所以又称为永磁材料或恒磁材料。硬磁材料和软磁材料的主要区别是硬磁材料的各向异性场（HA）高、矫顽力（Hc）高，技术磁化到饱和需要的磁场大。选择永磁合金基本特性主要考虑因素1.高的饱和磁化强度Ms(最大磁能积)2.高的居里温度Tc

－影响合金的使用温度3.大的磁各向异性HA－合金的磁硬化机制有利于得到高内禀矫顽力

三者缺一不可，否则不会成为实用永磁合金。根据矫顽力大小分为：硬磁材料：Br要高；Hc要高；最大磁能积(BH)m要高；从实用角度考虑，稳定性要高。软磁材料：μi和μmax要高；Hc要小；Bs要高；功率损耗要低；稳定性高。磁化曲线磁滞回线剩余磁感应强度矫顽力初始磁导率最大磁导率饱和磁感应强度在较弱的磁场下易于磁化，也易于退磁的材料称为软磁材料。磁导率大，矫顽力小，滞损耗低，磁滞回线呈细长条形。

软磁材料磁滞回线①软磁材料主要软磁材料材料

Mn-Zn、Li-Zn铁氧体、Ni-Zn、NiCuZn

铁氧体、MnFe2O4、

NiFe2O4软磁材料应用

软磁材料适用于交变磁场，可用来制造各种发电机和电动机的定子和转子；变压器，电感器，电抗器，继电器和镇流器的铁芯；计算机磁芯；磁记录的磁头与介质；磁屏蔽；电磁铁的铁芯。

磁化后不易退磁，而能长期保留磁性的铁氧体材料称为硬磁材料，因而也称永磁材料或恒磁材料。磁滞回线包围面积大，矫顽力大。硬磁材料磁滞回线②硬磁材料永磁材料的应用

主要是利用磁体在气隙产生足够强的磁场，利用磁极与磁极的相互作用，磁场对带电物体或粒子或载电流导体的相互作用来做功，或实现能量，信息的转换。2.3稀土永磁材料性能与

晶体结构

PropertiesandCrystalStructureofRareEarthPermanentMagnetismMaterials

硬磁材料也叫永磁材料，是指材料在外磁场中磁化后，去掉外磁场仍然保持着较强的剩磁的材料。稀土永磁材料是稀土金属元素（4f）与过渡族金属（3d）所形成的金属间化合物为基体的永磁材料。特征：

高剩磁、高矫顽力、高磁能积HighRemanence,HighCoerciveForce,HighMagneticEnergyProduct

一、稀土永磁材料的类型1.种类RE－Co永磁（Co基永磁）

第一代：1：5型SmCo合金

第二代：2：17型SmCo合金RE－Fe－B系永磁（铁基稀土永磁）第三代：NdFeB合金

第四代：Sm-Fe-N合金第一代稀土永磁体SmCo5出现，由于储量稀少的Sm，和昂贵战略金属Co和Ni。不久，为了提高磁能积开发了第二代Sm2Co17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。

磁性能最高的NdFeB被称为“永磁王”，它的磁能积约为199～400KJ/m3。在日本实验室已经达到540KJ/m3。

钕铁硼不含贵重金属，原料易得、价格便宜。广泛应用于能源、交通、机械、医疗、计算机、家电等领域。但中国NdFeB产业仍未形成规模化经营，产品多为中低档产品，磁能积一般较小，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，其产品多为磁能积较高的产品，多用于计算机VCM、新型电机、MRI等高技术领域。中国NdFeB产业只有实现规模化、产业集团化、产品质量高性能化，才能在国际竞争中立于不败之地，并带动稀土产业的发展。工艺和特性上分类1.烧结磁体（高磁性，高密度）2.粘结磁体（低磁性，低密度）3.热压磁体（中等磁体，高密度）4.热变形压磁体（高磁性，高密度）5.热轧磁体（中高磁性，高密度）制备方法工艺分类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制粉(HDDR)粉末的注射工艺植被的注射磁体5.快速凝固制粉或氢碎制粉(HDDR)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.用传统轧钢方法制备的热轧磁体8.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结论决定发展前途的永磁合金的因素：

磁性能的优劣

原材料资源是否丰富价格的高低磁化强度Ms高磁晶各向异性大居里点高二、稀土永磁材料晶体结构稀土永磁材料是以稀土金属间化合物为基础的永磁材料。稀土的永磁性能与组成该永磁体的稀土化合物的晶体结构密切相关。

SmCo5——1：5型

Sm2Co17——2：17型

Nd－Fe－B——2:14:1型稀土永磁化合物的晶体结构CaCu5型晶体结构（

SmCo5）Th2Ni17型和Th2Zn17型晶体结构

Sm2Co17

）Nd2Fe14B化合物的晶体结构一、1：5型CaCu5六方晶系ABAB型二、2：17型Th2Ni17型六方晶系Th2Zn17型菱方晶系2:14:1型四方晶系目前磁性材料行业主要面临两个大的机会，一个是环保节能的机遇，另一个是国际产业转移带来的机会。另外磁性材料行业是一个高能耗、劳动性密集行业，随着能源紧张和劳动成本的提高，国外磁性材料正逐步在向发展中国家转移，我国已经成为磁性材料生产大国，其产能已经超过40％靠出口来消化。磁性材料行业上市公司目前转移方式主要有和国内公司合作，如日本TDK公司与天通股份合作；直接建厂，如日本的赢赛拉、爱普生，荷兰的飞利浦等。而大部分则是从我国进口，因为相同性能下国内的磁性材料价格才是国外的一半。我国丰富的稀土资源决定了稀土永磁将会大部分转移到中国，目前生产稀土永磁上市公司有安泰科技、宁波韵升、中科三环以及北矿磁材，其中安泰科技最正宗，而其它上市公司稀土永磁所占比例不大。

上市公司一览表

600111包钢稀土

600549厦门钨业

600980北矿磁材

000795太原刚玉

000969安泰科技

600366宁波韵升

600330天通股份

000636风华高科

002057中钢天源

002056横店东磁

000970中科三环

600390金瑞科技

2.4稀土第一代永磁材料一、稀土1：5型稀土钴永磁材料

最早发现的RECo5型永磁材料是SmCo5化合物永磁体。之后又发现PrCo5，(Sm，Pr)Co5，MMCo5和Ce(Co，Cu，Fe)5永磁体。1.SmCo5永磁材料的成分与磁性能的关系永磁材料的成分对磁性能有重要的影响。SmCo5的成分为16.66％Sm+83.33％Co（mol）或33.79％Sm+66.21％Co（wt）。RECo5中为什么要选择SmCo5为永磁材料？从1967年SmCo5问世以来，人们对SmCo5在热态下共析分解、沉淀相、晶体缺陷、相变与显微组织特征进行了大量的研究。是基于SmCo5矫顽力对晶体缺陷，沉淀相和时效处理十分敏感。研究者的研究结果和主要的论点主要集中在SmCo5750℃回火Hc下降上。二.SmCo5合金的750℃回火效应定义：SmCo5永磁体在750℃

温度下回火或在此温度区间缓慢冷却，其矫顽力大幅度的降低，而当温度升高到900-950℃时，矫顽力部分或全部恢复。这现象称为“750℃回火效应”。750℃回火后，其矫顽力下降到最低。750℃以上，矫顽力随回火温度升高而上升。回火处理对SmCo5样品矫顽力的影响实验过程：将磁体切成多个规格为15.5mm×7.5mm×0.95mm的薄片，易磁化轴平行于7.5mm棱边。用金相纸磨光表面后，每两个样品一组在氩气保护下在710℃分别回火4、8…

…60和80min急冷，并测退磁曲线。矫顽力的下降起因于各晶粒中反磁化形核的形核场的下降。350℃370℃400℃420℃,2min420℃,12min650℃750℃1000Kv超高压电子显微镜动态观察的现象25℃室温下观察结果：没有沉淀物析出，偶尔可以观察到一些缺陷，层错。SmCo5样品放入侧插式加热台后加热，进行动态观察发现经多次倾斜转台观察无任何沉淀物选区。在350℃之前SmCo5样品没有在热激活下析出物，后迅速升到420℃，有小析出点（高度弥散）出现，已放大到2万倍仍不十分清楚。当温度升到420℃且保持2min后，在原来无任何沉淀物的位置，便可清楚地观察到高度弥漫的析出物布满整个视野，继续保持40min，析出物则长大到数十纳米，电子衍射分析表明析出相为Sm2Co17.在布满视野的Sm2Co17相中，大块为六角形，小块为圆形D，尚有条状Sm2Co7相E。特别观察到了从六角形的Sm2Co17大块相点之间夹杂着的Sm2Co7相位置转化为Sm2Co17

相。认为SmCo5在800℃下是不稳定的，会产生共析分析。样品制备采用合金熔炼法制备，在氩气保护气氛中用电炉熔炼，熔炼出的合金锭用振动球磨粉碎至5µm左右（有机介质保护防氧化），在1.5T磁场中取向成形，在1120℃烧结1h，以0.8℃/min速度冷却至900℃，再急冷至室温，得到热退磁样品，成型。三.SmCo5永磁材料的烧结工艺与性能SmCo5磁体的烧结与后烧工艺示意图。实践表明烧结温度T烧和时间τ烧，后烧温度T回和时间τ回，从T烧到T后的冷却速度υ1和从T后到室温的冷却速度υ2等6个参量都对次性能有重要的影响。结论：υ1应当慢一些，0～3℃/min。υ2一般要大于50℃/min。结论：1.烧结温度过高，晶粒易长大，从而降低矫顽力。2.合金的成分与磁性能最佳的烧结温度有很大的影响。3.相同的烧结温度下，发现合金的成分对磁性能影响很大。υ2对SmCo5磁性能的影响最为显著快速冷却还能获得高矫顽力。四.RECo5永磁材料的主要类型（1）SmCo5永磁合金（2）PrCo5和（Sm，Pr）Co5永磁合金（3）MMCo5和

Ce（Co,Cu,Fe）5永磁合金（1）SmCo5磁性能参数

（2）PrCo5和（Sm，Pr）Co5永磁材料在RECo5化合物中，PrCo5的Ms最高，理论(BH)m＝310.4kJ/m3，HA达11542～14328kA/m，Tc也与SmCo5相差不多。实验发现，PrCo5很容易形成Pr5Co19相或Pr2Co17相，尤其在铸锭中，一般都存在这两个相。避免这两相的析出是制备高性能、稳定的PrCo5的关键。最合适的烧结温度1080～1090℃之间。合金的矫顽力Hc随铜含量(x)线性增加，但Br降低。350～400℃时效处理可获得最高的磁性能。（3）MMCo5和Ce（Co,Cu,Fe）5永磁材料Sm和Pr价格较贵，而混合稀土金属MM则便宜得多，因而发展了MMCo5或（Sm,MM）Co5永磁材料。在（Sm,MM）Co5永磁材料中，随着Sm含量的增加,(BH)m有所提高，Hc也线性的提高。此外，添加少量的Sn,Fe,Co,Zr,Ha等金属粉末，有助于抑制RE2Co7或RE5Co19的形成，有效地改善其磁性能。由于Ce的资源丰富，Ce(Co,Cu,Fe)5永磁材料也得到了发展。这种永磁体在微型电机、电子手表、电子钟等领域得到广泛的应用。RECo5型稀土永磁体的基本磁性磁体MsTcKHA理论(BH)mYCo51.069035.510400224.8LaCo50.918406.314000165.6CeCo50.776536.416800118.4PrCo51.208938.113600288.0NdCo51.229100.24400297.6SmCo51.14100011~2020000~35200260.0MMCo50.907686.414400161.62.5第二代永磁材料1.2：17型Sm(Co,Cu,Fe,Zr)z成份合金成分表达式：

Z=7.0~8.3,u=0.05~0.08,ν=0.15~0.3,ω=0.01~0.03

分别讨论Fe含量、Cu含量、Zr含量对磁性能的影响。在低矫顽力类型中Sm的含量达到25.5(wt)％时，可获得较高的矫顽力。

SmCoCu8Fe8Zr合金中，随Fe含量的提高，Br，Hc和(BH)m都提高。当Fe(wt)％＝14％时，Hc开始下降。在高矫顽力类型，成分为Sm(Co0.675-xCu0.078Fe0.24Zr0.027)8.22

Fe含量对材料磁性能的影响（Fe的含量）Cu含量对材料磁性能的影响在低矫顽力类型中Sm的含量达到25.5(wt)％的SmCoCu8Fe8Zr合金中，只要Cu含量高于5(wt)％，随Cu含量的提高，Hc迅速提高。当含Cu量高于10％时，Hc有下降的趋势。在高矫顽力类型，含Sm26.5％的SmCoCuFe18.5Zr2.4材料，分别在750℃，800℃，820℃，850℃，870℃，900℃时效处理10h，以0.5℃/min冷却到400℃，Hc与Cu含量的关系图，如下。750

℃800

℃820

℃850

℃870

℃900

℃Zr含量对材料磁性能的影响锆对2：17型合金矫顽力起关键作用。Zr不仅强烈地影响合金的矫顽力，且Zr合金的矫顽力对热处理工艺十分敏感。实验发现：Zr的含量仅与Fe的含量有关。最佳的Zr含量也与Sm含量有关。为了获得高矫顽力的合金，当提高Zr含量时，应适当的降低Sm含量。稀土钴永磁材料的牌号由4部分组成第一部分：材料的主称。XG表示稀土钴第二部分：制备工艺特征。S表示烧结，N表示粘结第三部分：主要磁性能特征。（BH）m/最小Hc第四部分：材料磁结构特征。T表示磁各向同性，缺省表示磁各向异性。XGS160/120__XGS180/50XGS185/70XGS195/40XGS195/90XGS205/45XGS205/70XGS235/45XGS205/120XGS205/160低矫顽力高矫顽力Thankyouforyourattention!一、概述二、RE2Fe14B系合金的磁性能三、RE2Fe14B系合金的成分与性能四、RE2Fe14B化合物的磁矩和磁极化强度五、烧结钕铁硼材料2.6稀土钕铁硼永磁材料一、概述市场需求：Fe代Co，储量丰富的Nd取代资源稀少的Sm。企业：中科三环、宁波韵升、安泰科技、运城恒磁、成都银河特点：不但磁能积高，而且低能耗、低密度、机械强度高。广泛应用领域：电动机、电声器件、计算机、磁共振成像、磁选、磁分离、磁悬浮等。RE的亚晶格具有很强的磁晶各向异性，3d族元素具有很高的饱和Ms和高的Tc，二者的结合有望得到综合性很好的永磁合金。RE-Co→RE-Fe(REFe2,RE6Fe23,RE2Fe17)

RE2Fe17的Tc过低而不能实现永磁体。因为RE-Fe中Fe－Fe原子之间的距离太近Fe的局域性较强，受周围近邻原子数和原子间距的影响较大，最终导致合金的Tc点低。发展思路在二元体系中，为何要引入B？第三种元素，尤其是原子半径小的元素B、C等，可成为RE-Fe化合物的固溶元素，存在于晶格中，从而改变了Fe-Fe的距离和Fe原子周围环境及近邻原子数，最终导致居里温度的提高和永磁性能的改善。室温下RECo5、RE2Co17、RE2Fe17和RE2Fe14B相饱和磁化强度二、RE2Fe14B系合金的磁性能NdFeB

晶体结构是四方晶系。Ms=1.6TTc=312℃HA=5840kA/m（BH）m=512kJ/m当RE为Pr、Nd和Sm时，化合物有最高的饱和磁化强度，其中Nd2Fe14B最高，为1.6T，其(BH)m=512kJ/m3,HA=5840kA/m,Tc=312℃为了进一步提高Nd-Fe-B永磁材料的磁性能，在三元的基础上引入第四个元素。Nd-Fe-T-B(T=Cr,Mn,Co,Ni,Al)Nd(Pr,Ce)-Fe-BMM-Fe-BNd(Pr,Ce)-Fe-B–Si(Al)Nd0.8Dy0.2(Fe0.86-xCo0.06B0.08Mx)5.5系合金（M=Al，Ga）这些元素的硬磁性相均有RE2Fe14B。三元NdFeB永磁材料的成分三、RE2Fe14B系合金的成分与性能Nd15Fe77B8由于富Nd和富B都是非铁磁性的。随着富钕和富硼相数量的增加，合金的Ms和Br要降低。（通过实验确定最佳的含量比）1.Nd含量对三元NdFeB磁性能的影响

当Nd的含量过高时，形成过多的富钕相或形成非磁性的Nd2O3,起到磁稀释导致Br降低。若Nd的含量过低，Nd％＜12％，Br也急剧下降。这与烧结时合金的收缩量少，合金的密度过低以及有块状的а-Fe相析出有关。Hc随Nd含量的增加而增加，当含量高于36％时开始下降。（与晶粒长大有关）2.B含量对三元NdFeB磁性能的影响B是促进NdFeB四方相形成的关键元素。B％<5％时主要以Nd2Fe17形式存在，Hc和Br都很低。B％＝6％～8％时得到最佳的Hc和Br。3.NdFeB的磁能积和成分的关系4.Fe含量对NdFeB永性能的影响小结1.为获得高Hc的NdFeB,除B含量适当（6.0％～8％）外，可适当提高Nd的含量。（可提高14％～15％，注意烧结温度，避免晶粒长大）2.为获得高的(BH)m，应尽可能使B和Nd的含量向Nd2Fe14B四方相的成分靠近，尽可能提高合金的Fe含量。当材料的环境改变时（掺杂其他元素，或替代，或温度时间等），相应的磁性能就会发生变化，实际上，导致这一现象的主要原因是分子内部的磁矩发生变化。四.RE2Fe14B化合物的磁矩和磁极化强度以RE2Fe14B化合物为基的永磁材料的磁极化强度Js是很重要的磁参量，它是该材料剩磁Br的极限值，也是决定该材料磁能积极限值或理论值(BH)m=Js2/4的磁学量。材料具有高的Js是材料获得高的Br和高(BH)m的基础。材料的Js是由原子磁矩µJ和分子磁矩M分子来决定的。根据稀土金属间化合物的自发磁化理论，当RE2Fe14B化合物中原子磁矩µJ存在共线关系时，则它们的原子磁矩与分子磁矩有如下关系：对于轻稀土化合物对于重稀土化合物原子磁矩中子衍射方法测定能带理论计算MÖssbauer谱实验技术测定其超精细场Hhf磁测量方法另外，也可用磁测量的方法，测出质量饱和磁化强度σs，再用下式计算分子磁矩式中M分子以µB为单位；A为相对分子质量(摩尔数)；NA为阿伏加德罗常数(6.023×1023)，它是气体的分子数与摩尔数之比。当RE2Fe14B化合物中RE为无磁矩的稀土原子(如La、Ce、Lu和Y等)时：由此也可以求出化合物平均Fe原子磁矩。若已知分子磁矩M分子，

可以求出饱和磁极化强度。式中µ0=4π×10-7H/m,是真空磁导率；d是密度。1.RE2Fe14B化合物的原子磁矩由不同研究者用中子衍射、MÖssbauer谱和能带理论计算得到的RE2Fe14B化合物中不同晶位上的Fe原子磁矩和RE原子磁矩列于下表。不同格位的Fe原子磁矩是不同的，这与Fe原子所处的局域环境有关。不同RE的化合物在同一晶位上的败原子磁矩也是不同的。相同的化合物和相同的晶位用不同的方法得到的入原子磁矩也是有所不同的。

为便于比较，列出了用不同方法测定的不同RE化合物的Fe原子平均磁矩

。Y、La、Ce和Lu是没有原子磁矩的,Why？它表明，Y、La、Ce和Lu是没有原子磁矩的。Y2Fe14B化合物的磁矩全部由Fe亚点阵贡献。用磁测定方法得到Y2Fe14B的平均原子磁矩为2.11µB。在Gd2Fe14B化合物中，Gd中的4f有7个电子，轨道磁矩已相互抵消，仅有自旋磁矩对Gd原子磁矩有贡献，用磁测法得到Gd2Fe14B中平均铁原子磁矩为2.27µB。这些数值比用中子衍射法得到的偏低，其原因是在R2Fe14B化合物中存在4s电子极化现象，4s电子的极化将产生负磁矩。例如在Nd2Fe14B和Y2Fe14B化合物中存在极化现象，4s电子的极化产生的磁矩分别为

M4s＝-0.28µB和-0.21µB。

这些数值与在纯铁中的4s电子负极化效应M4s＝-0.25µB相当。（固定值）

将4s电子负极化效应引起的负磁矩M4s＝-0.25µB考虑进去，那么用磁测量方法和MÖssbauer谱技术测量得到的平均铁原子磁矩是正确的。在RE2Fe14B化合物中，若RE原子有磁矩，则Fe原子磁矩比RE没有磁矩的多8.6％(Ho)到12.5％(Pr)。原因是磁性RE原子与无磁性RE原子相比，某些晶位的Fe原子局域环境不同。例如Fe2(4c)原子全部是以磁性RE原子作为最近邻的话，由于4f—3d交换能作用引起3d能带展宽，造成正能带的3d电子数有所提高，因而Fe2(4c)晶位上的Fe原子磁矩提高。

2.RE2Fe14B元素取代对磁矩的影响在4.2K，Y2Fe14-xTxB化合物分子磁矩与取代元素及其含量的关系如下图。CoAlSiNiCu稀释模型图中实线分别是Cu和Ni按简单的稀释模型计算的结果，其他未实验结果。Y2Fe14-xCoxB的分子磁矩随x的变化很小，在x＝4—5时，出现最大值，即在Co原子分数为28％一35％处，M分子有最大值。这与在FeCo合金中的结果相似。已知Ni原子磁矩为Al、Cu和Si原子是没有磁矩的，这些元素对分子磁矩的影响，可用简单的稀释模型来描述，即有实验结果表明，当T＝Si或Al时，其磁化强度的降低比简单稀释模型降低得更快些。原因：这种现象与这些元素取代后，改变了某些晶位Fe原子的局域环境有关，减弱了某些晶位Fe原子与相邻原子的交换作用强度，使铁3d能带展宽程度减弱，因而使铁的正3d能带的电子数减少。当Fe原子被Si、Ru取代时，其分子磁矩或平均Fe原子磁矩降低。当Fe被Co取代时，在x＝1.5处，观察到分子磁矩存在极大值。3.RE2Fe14B化合物磁极化强度与温度的关系列出了不同研究者获得的RE2Fe14B化合物在室温的饱和磁极化强度和在4.2K时的分子磁矩、RE原子磁矩和化合物的Js。可见Y、La、Ce和Lu四个稀土元素的原子磁矩为零，这四个元素的R2Fe14B化合物的Js和M分子全部由Fe亚点阵所贡献。稀土原子磁矩是假定在所有的R2Fe14B化合物中，Fe亚点阵对分子磁矩的贡献均为30．7µB，其中的“十”号代表与产是铁磁性耦合，“—”号代表与是亚铁磁性耦合。

轻稀土重稀土随着温度的降低，M分子一直升高。在某一温度范围内，随温度的升高，的提高比的提高更快，因此在该温度范围内，就出现了M分子随温度升高而升高的现象。

Nd－Fe－B磁体的研发趋势1.高（BH）mNd－Fe－B永磁材料2.耐热Nd－Fe－B永磁材料3.Nd－Fe－B永磁的防锈处理技术4.各向异性粉末和各向异性粘结磁体五、稀土铁氮永磁材料在早期研究稀土-过渡族金属间化合物时发现了RE2Fe17，而它具有较低的Tc和Hc，而无法成为永磁材料。RE2Fe17的居里温度低的原因：晶格中Fe-Fe原子间距较近而产生的反铁磁相互作用而造成的。加入其他类型的铁磁或非铁磁性原子，可有效提高距离温度。B、N等RE2Fe17系化合物吸收N2后，形成新型三元系化合物RE2Fe17Nx，其结构仍为RE2Fe17结构，N原子只占据晶格间隙位置。Sm2Fe17的Tc从386K提高到Sm2Fe17Nx的750K。Ms也有显著提高。749K758K477KSm2Fe17Nx合金磁性REFeN中，N不占据晶格中的特定晶位，而占据某些间隙位置而称为间隙原子。随着温度的升高，各晶位上的原子热振动加剧，迫使间隙原子溢出。添加Cr，Si等元素能提高化合物的分解温度,提高稳定性。2.7稀土超磁致伸缩材料一、概述二、磁致伸缩效应及机理三、稀土超磁致伸缩材料REFe2的结构四、稀土超磁致伸缩材料性能的技术参数五、磁致伸缩材料的应用一、概述超磁致伸缩材料（GMM）是19世纪70年代迅速发展起来的新型功能材料，是由焦耳发现的物理现象。目前已被视为21世纪提高国家高科技综合竞争力的战略性功能材料。GMM器件的性能已被证明优于压敏陶瓷换能材料，在军民两用高科技领域具有难以估量的应用前景。

优点：

GMM在室温下机械能－电能转换率高、能量密度大、响应速度高、可靠性好、驱动方式简单应用：迄今已有1000多种GMM器件问世，应用面涉及航空航天、国防军工、电子、机械、石油、纺织、农业等诸多领域，大大促进了相关产业的技术进步。例如大功率GMM换能器用于油井处理，可降低石油粘度，改善流动特性，大大提高石油产 量。RE-GMM

利用磁致伸缩效应可以使磁能转换为机械能，而利用磁致伸缩的逆效应可以使机械能转变为磁能。这种能量转换器件用处很多，但这些村料的磁致伸缩常数大约在10-5级，实际应用范围受到一定限制。1963-1965年，发现Tb，Dy等稀土类单晶在低温下的磁致伸缩常数高达10-3以上，由此开始了稀土类-过渡金属系磁致伸缩金属间化台物的开发。二、磁致伸缩效应及机理定义：铁磁材料和亚铁磁材料，在外磁场被磁化时，其长度和体积都要发生变化，而失去外磁场后，又恢复原来长度或体积，这种现象称为磁致伸缩。1.线磁致伸缩：当材料在磁化时，伴有晶格的自发的晶格变形，即沿着磁化方向生长或缩短，称为线磁致伸缩。变化的数量级为10－6～10－5.当磁体发生线磁致伸缩时，体积几乎不变，而只改变磁体的外形。在磁化未达到饱和状态时，主要是磁体长度变化产生线磁致伸缩。磁致伸缩值2.体积磁致伸缩：当材料在磁化状态改变时，体积发生膨胀或收缩的现象。饱和磁化以后，主要是体积变化产生体积磁致伸缩。（一般磁体中体积磁致伸缩很小，实际用途也很少，在测量和研究中，所以一般磁致伸缩都指的是线磁致伸缩）。稀土与过渡金属，如Fe，Co等的二元或三元合金则具有巨大的磁致伸缩值，高于非稀土的近百倍。稀土超磁致伸缩材料RE-GMM

λ达到1500~2000ppm稀土磁致伸缩材料主要是稀土－铁系金属间化合物，这类材料具有比铁、镍大得多的磁致伸缩值，并且机械响应快、功率密度高，所以可广泛应用于声纳系统、大功率超声器件、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。

正负磁致伸缩：当未加外加磁场时，磁畴的磁化方向是随机的；加上外磁场后，通过畴壁的运动和磁化方向的转动，最终大量的磁畴的磁化方向将倾向平行于磁场。如果畴内磁化强度方向是自发形成的长轴，则材料在外场方向将伸长，这时正磁致伸缩。如果磁化强度方向是自发形变的短轴，则材料在外场方向将缩短，这是负磁致伸缩。

磁致伸缩常数的测定通常采用应变什来进行。硅钢片用Fe－Si合金的λ100

和λ111

与成分间的关系图如后。λ100为正，λ111为负。随Si含量的增加，其数值变小。到质量分数Si为6%左右达到零。这一事实对于制作磁致伸缩为零的FeSi磁性材料是致关重要的。磁致伸缩机理当材料的磁化状态发生改变时，其自身的形状和体积要发生变化，以使总能量达到最小。磁致伸缩一般起源于下列集中作用：（1）原子磁矩的存在是产生磁致伸缩效应的基础磁致伸缩效应的出现都与材料成分中存在着未填满的3d和4f电子层的过渡族元素和稀土族元素有关。因为只有这些元素才有自旋磁矩和原子磁矩。特别是稀土元素，由于最外层5s和5p电子壳层的屏蔽作用，4f电子的运动受周围离子的影响很小，因此具有较高的有效磁矩。对于Fe族过渡族元素，未填满的3d电子壳层的电子处于所有电子壳层的外围，其运动很容易受周围离子产生的强电场的影响，其轨道运动往往受到破坏，以致它们对轨道磁矩的贡献很小甚至没有，电子自旋的贡献是原子磁矩的主要组成部分。所以4f电子对原子磁矩的贡献大于3d电子的贡献，稀土元素的原子磁矩大于Fe族过渡族元素。（2）自发磁化是磁致伸缩效应产生的必要条件金属中的电子不仅和晶格中的离子有交互作用，而且电子与电子之间也具有很强的交换作用。在磁畴的范围内，为了满足能量达到最低，以致可以使电子自旋平行排列成为可能。就是因为同向排列的电子自旋磁矩的作用，才导致了磁畴的自发磁化，并达到磁饱和。3d金属中的自发磁化来源于相邻原子的3d电子存在的交换作用；稀土金属的自发磁化来源于局域化的4f电子和巡游6s电子发生的交换作用，这种交换作用使6s电子自旋发生极化，而极化了的6s电子自旋又使4f电子自旋和相邻原子的4f电子自旋间接地耦合在一起，从而产生自发磁化，这就是所谓的简介交换作用（RKKY）理论。RE-GMM拥有大的磁致伸缩系数：

稀土离子的4f电子轨道具有强烈的各向异性，当自发磁化后，4f层电子云会在某一个或几个特定的方向能量达到最低，从而引起晶格沿着这几个特定的方向产生较大的畸变，这样当施加外磁场时就产生了大的磁致伸缩。三、稀土超磁致伸缩材料REFe2的结构REF2结晶为Laves相化合物，具有立方MgCu2型晶体结构。RE占据Mg的位置，Fe原子占据Cu的位置。在同一晶胞中，稀土原子的自旋磁矩与相邻的稀土原子平行而与相邻的铁原子的自旋磁矩反平行。切铁亚晶格的各项异性比稀土亚晶格的各项异性小很多，因而常把它忽略或作为微扰来处理。因此，稀土-铁化合物在室温下的大磁致伸缩和磁晶各项异性都来源于稀土原子。稀土原子复杂的4f电子自旋结构及其较大的自旋轨道（9-10μs）和巨大的磁晶各项异性，这正是产生大磁致伸缩的内禀条件。四、稀土超磁致伸缩材料性能的技术参数1.磁致伸缩系数d

磁致伸缩系数是指磁致伸缩λ随磁场H的变化率，常用d表示，有事表示为d33，即d33=（dλ/dH）σ(σ为沿取向晶棒轴向附加的压应力)。它是描述材料对磁场变化敏感性强弱的参数，其值与材料成分有关。2.磁机耦合系数K磁机耦合系数K是换能器的一个重要参数，它表征磁能Em和弹性能Ee之间的转换效率。大尺寸高性能磁致伸缩棒材可实现将大量磁能转换成机械能。3.磁晶各项异性常数K1磁晶各项异性反映磁性体的磁性与结晶轴有关的磁性能。即沿铁磁材料不同晶体轴方向自发磁化的内能不同，当外磁场不存在时，自发此话沿内能最低的晶体轴方向磁化。通常这个方向成为易磁化轴，内能最大的方向为难磁化轴。磁性体与这一部分与磁化方向有关的自由能就是磁晶各项异性。根据磁体的对称性，可将磁晶各项异性用磁性体磁化矢量的房型余弦简明的表示出来。

实用的磁致伸缩材料必须具备的条件：（1）材料的饱和磁致伸缩系数λs尽可能的大。（2）材料的磁晶各向异性能K1应足够的大。没有足够大的K1,就不可能有大的磁致伸缩，但是K1也不能太大。过大的K1将使磁矩转动所需的磁场过大，无法在较低的磁场下得到较大的磁致伸缩，即λs/K1要大，而矫顽力要低。（3）居里温度Tc应尽可能地高，至少要高于使用时的环境温度。五、磁致伸缩材料的应用Terfenol-D，Galfenol和FSMAB的研制成功开辟了磁致伸缩材料的新时代,使电磁能-机械能转换技术获得了突破性进展,对尖端科学技术的发展及传统产业的现代化产生了重要影响,并引发了由智能材料到智能器件的一场智能机电产业的革命。所以它们被誉为新一代的智能材料。迄今为止“该材料的应用器件的专利已达1750个。预计在2015年之前GMM的市场将包括以下几部分：在运输业方面：刹车线、燃料注入系统、降噪减震系统、阀、泵以及线性马达等。在航空、航天、航海部门：除声呐外，还包括线性马达、动作器、液压动力系统、薄膜传感器和降噪减震系统。在加工、制造业中的应用包括：精密定位系统、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动作器、线性马达及传感器等。2.8稀土磁致冷材料一、概述二、磁致冷的基本概念三、磁致冷热循环四、磁致冷材料的特性五、稀土磁制冷材料的主要类型六、稀土磁制冷的研究进展七、稀土磁致冷材料的应用现在的制冷市场情况家庭用冰箱，空调为例：现在应用最广泛的制冷剂就是R600a，与传统氟利昂R12相比，直冷效果相当，对大气无污染。不过R600a遇到明火会发生爆炸，必须使用专用焊接机。R600a异丁烷

R134a（四氟乙烷）

R600a（异丁烷）微溶于水，与碳钢、不锈钢、铜、铝的大多数金属相容性好，无温室效应。R600a蒸发压力、冷凝压力、排气温度均低于R134a。R134a制冷剂与矿物性润滑油不互容，对生产工艺及制冷系统各零部件的清洁度控制要求过于严格，冰箱使用碳氢化合物典型的如异丁烷（R600a）制冷剂的优点恰恰克服了R134a制冷剂的缺点，R600a优良的热物理性能决定了该制冷剂比CFCS和HFCS具有更高的能效，压缩机的效率（COP值）和冰箱的整机制冷效率（耗电量指标）较R134a均高。R134a（四氟乙烷）由于它的溶水性高，所以对制冷系统不利，即使有少量水分存在，在润滑油等的作用下，将会产生酸、二氧化碳或一氧化碳，将对金属产生腐蚀作用，所以R134a对系统的干燥和清洁要求更高。且R134a带有一定的温室效应，制冷后能耗也有所上升，并不是最优的制冷剂替代路线。一、概述定义：磁致冷，是指以磁性材料为工质的一种全新的制冷技术。基本原理：借助磁致冷材料的磁热效应，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，达到制冷目的。制冷方式：利用自旋系统磁熵变制冷。过程：首先给磁体加磁场，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。与传统制冷相比：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。被誉为绿色制冷技术工业生产和科学研究中，通常把人工制冷分为低温和高温两个温区。

20K为分界线在低温区：要求体积小，质量轻，效率高的制冷装置。在高温区（尤其是室温区）:由于传统的制冷剂氟利昂对大气臭氧层的破坏被国际上禁用。要求发展无污染的制冷技术。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。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。

二、磁致冷的基本概念（1）磁致热效应（MCE）铁磁体受磁场作用后，在绝热情况下，发生温度上升或下降的现象，称磁致热效应。磁致热效应的测量方法材料的磁熵变化值和磁致热效应ΔT可以从绝热退磁测量，比热容测量，磁熵测量中得到。测量方法（1）

-绝热退磁测量绝热退磁原理见图。等温磁化过程ΔT不变绝热的退磁过程ΔS不变ΔTad=T1-T2就是样品的磁致热效应ΔTad是材料主要的磁制冷性能指标H=0无外加磁场H>0有外加磁场测量方法（2）-从比热容测量推出磁熵值测量在一定压力下的比热容，根据比热容的热力学定义可以推出在温度T和磁场B=µ0H时的磁熵值S。由于通过在磁场中比热容的测量可以同时得到材料的磁熵变化值ΔS（T,B）和磁致热效应ΔT（T,B），因此在评价材料的磁热性能时，磁场中的比热容测试时最有效的方法。测量方法（3）从磁化曲线测量推出磁熵变化值由磁化曲线可以推出样品在磁场从0变化到B时的磁熵变化值。在测出居里温度附近各温度下的磁化曲线后，可以计算出磁熵变化。（2）磁熵磁致热效应是自旋熵变化的结果，它是与温度、磁场等因素有关的物理量。磁熵是磁性材料中磁矩排列有序度的度量。无序度越大，磁熵就越高。当磁性材料的磁矩排列有序发生变化时，其磁熵也随之发生变化。磁熵密度很大的磁性材料的磁熵变化将伴随着明显的吸热和放热效应，因此，可以应用于制冷技术中。改变磁矩排列有序度的方法有两个：一是通过施加外磁场来改变磁矩排列有序度，使材料的磁熵发生变化，从而引起吸热或放热，这种现象又称磁致热效应。另一个方法是加热或冷却磁性材料使其通过磁性转变温度，磁矩排列则从有序变到混乱，这时会引起材料磁性比热容的巨大变化。利用磁性材料在发生磁性转变时的磁熵变化，可以将高磁熵密度的磁性材料作为磁蓄冷材料用于小型回热式低温气体制冷机中。这种制冷机的制冷温度在4.2~20K之间，可为氦气液化和超导磁场等仪器提供所需的低温环境。用于冷却核磁共振成像仪、磁悬浮列车、超导发电机中的大型超导磁场、超导量子干涉仪、射频天文望远镜的传感器探头和低温冷凝高真空泵等。（3）退磁降温温差ΔT退磁降温的温度变化ΔT是指磁性工质在绝热条件下，经磁化和退磁后，其自身的温度变化。它是标志磁致冷能力的最重要的参量。在绝热条件下：三、磁致冷热循环磁致冷利用磁性物质励磁和退磁时吸收或释放热的原理，产生极低的深冷温度。典型的制冷材料:钆嫁石榴石（Gd3Ga5O12）,可获得低达1.3K的温度，它在1.5K实现长时间的稳定制冷。嫡铝石榴石（Dy3Al5O12）在4.2K的最大制冷能力为550mW，液化效率大于70％。卡诺循环、斯特林循环、埃里克森循环卡诺循环等温膨胀绝热膨胀等温压缩绝热压缩它是由两个定容吸热过程和两个定温膨胀过程组成的可逆循环﹐而且定容放热过程放出的热量恰好为定容吸热过程所吸收。热机在定温(T1)膨胀过程中从高温热源吸热﹐而在定温(T2)压缩过程中向低温热源放热。斯特林循环埃里克森循环结论：卡诺循环适用于低温区域。要扩大制冷温度范围，埃里克森循环比较适宜。四、磁致冷材料的特性磁致冷是利用磁性体的磁矩在无序态（磁熵大）和有序态（磁熵小）之间来回变换的过程中，磁性体放出和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，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要的时间短。4)具有高的电阻率，以减少磁场变化引起的感应涡流长生大的热效应。满足这些材料的磁体中，目前使用的有GGG和DAG。这些材料的特点是工业生产中生成大而完整的单晶。五、稀土磁制冷材料的主要类型不同温区的磁致冷材料具有不同的特性：极低温（20K以下）顺磁材料的磁熵变ΔSM»SL（晶格体系熵），高温铁磁或亚铁磁材料的ΔSM≈SL，甚至ΔSM<SL,ΔSM在居里点Tc附近最大。磁致冷材料的磁致冷性能重要取决于：居里点Tc、外加磁场H、磁热效应MCE和磁比热容CH。1)低温区域稀土磁制冷材料所谓低温区是指20K以下的磁致冷材料，多为顺磁材料，主要有Gd3Ga5O12(GGG)、Dy3Al5O12(DAG)以及Y2(SO4)3、Dy2Ti2O7、Gd2(SO4)3·8H2O、Gd(OH)2、Gd(PO3)3、DyPO4以及Er3Ni、ErNi2、DyNi2、HoNi2、Er0.6Dy0.4、Ni2ErAl2等。

该温区以GGG和DAG为主导，GGG适用于15K以下，尤其是10K以下。DAG在15K以上优于GGG。2)、20～77K温区的磁致冷材料

20～77K是液化氢、液化氮的重要温区。主要研究了REAl2，RENi2型材料及一些重稀土元素单晶、多晶材料。3)、77K以上的磁致冷材料(高温区)4)、近室温的磁致冷材料

RE的4f电子层未充满，导致其离子都具有不成对的电子，产生各种磁体。其中只有金属Gd在室温下有铁磁性。

1976年实验室成功－Gd耐腐蚀性不好，工作范围小－1997年Gd5(SixGe1-x)4－Gd4(BixSb1-x)3、MnAs1-xSbx、La(Fe0.88Si0.12)13Hy、MnFeP0.45As0.55、LaFe11.2Co0.7Si1.1制冷能力Q是代表制冷循环中冷端和热端之间换热的量T1和T2分别为热端和冷端换热器的温度ΔSm为制冷剂的磁熵变化六、稀土磁致冷材料的研究进展

目前磁致冷技术正向超低温和室温制冷两个全然相反的方向发展。

超低温领域：日本计划用非磁性Y稀释Gd和Dy，借以获得0.3K的超低温环境。采用核去磁致冷的工作模式，用PrNi5作制冷剂，能使温度下降到1.27×10－5K。室温领域：（氟利昂），居里点是磁热效应最大的金属Gd、REAl2、RE3Al2、 GdxHo1－xAl2等有望称为室温磁致冷。1997年美国发现巨磁热效应（GMCE）的GdSiGe合金，居里点可以在30～280K之间通过Si：Ge比例来调整（Ge越多，Tc越低），SM为已发现磁致冷的2～10倍。加入微量的Ga，Tc可提高到286K。七、稀土磁致冷材料的应用1.磁致冷机磁致冷是使用无害、无环境污染的稀土材料作为制冷工质，若用磁致冷取代氟利昂制冷剂的冷冻机、电冰箱、冰柜及空调器等，可以保护人类的环境，具有显著的环境和社会效益。（1）磁致冷机的基本工作原理Tc附近，未配对电子（RE的4f或Fe的3d电子层），在H＝0时，随机排列整齐排列，磁熵下降，材料释放热量未配对电子回复随机状态，吸收热量2.9

稀土磁光材料

RareEarthmagneto-opticalmaterial

磁光效应和磁光材料稀土磁光材料的来源及性能特点稀土铁石榴石磁光材料钆镓石榴石磁光材料一、稀土磁光材料磁光材料：在紫外到红外波段，具有磁光效应的光信息功能材料。稀土磁光材料是一种新型的光信息功能材料，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。主要应用：调制器、隔离器、环形器、磁光开光、偏转器、相移器、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，录像机，模式识别机，光数头，光盘，光波导等。磁光效应：在外加磁场的作用下，物质的电磁特性（如磁导率，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性（如偏振状态，光强，相位，频率，传输方向等）也会随着发生变化。光通向磁场或磁矩作用下的物质时，其传输特性发生的变化称为磁光效应。1、磁光效应及表征1.光的偏振性

振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，它是横波区别于其他纵波的一个最明显的标志，只有横波才有偏振现象。光波是电磁波，因此，光波的传播方向就是电磁波的传播方向。光波中的电振动矢量E和磁振动矢量H都与传播速度v垂直，因此光波是横波，它具有偏振性。插入内容（1）自然光在垂直于光传播方向的平面上，光矢量在各个可能方向上的取向是均匀的，光矢量的大小、方向具有无规律性变化，这种光称为自然光，也称为非偏振光。

自然光可以沿着与光传播方向垂直的任意方向上分解成两束振动方向相互垂直、振幅相等、无固定相位差的非相干光。插入内容插入内容（2）完全偏振光

插入内容（a）线偏振光

光矢量端点的轨迹为直线，即光矢量只沿着一个确定的方向振动，其大小、方向不变，称为线偏振光。

（b）椭圆偏振光

光矢量端点的轨迹为一椭圆，即光矢量不断旋转，其大小、方向随时间有规律的变化。

（c）圆偏振光

光矢量端点的轨迹为一园，即光矢量不断旋转，其大小不变，但方向随时间有规律地变化。插入内容（3）部分偏振光

在垂直于光传播方向的平面上，含有各种振动方向的光矢量，但光振动在某一方向更显著，不难看出，部分偏振光是自然光和完全偏振光的叠加。插入内容2.磁光效应及表征

1）磁光法拉第(Farady)效应

2）科顿-穆顿效应

3）磁圆振、磁线振二向色性

4）塞曼效应(Zeeman)5）

磁激发光散射

6）

磁光克尔效应

7）

霍尔效应1）磁光法拉第效应当线偏振光沿着磁场方向或磁化强度矢量方向传播时，由于左、右圆偏振光在铁磁体中的折射率不同，使偏振面发生偏转角度，此现象称为法拉第效应。（1）磁旋光效应及其非互易性法拉第效应又称磁旋光效应。当偏振光通过一个处于磁场大小为H的顺磁性或逆磁性材料后，透射光偏振方向的旋转角θ正比于磁场大小H和材料的厚度L，费尔德常数实验证明：振动面旋转的角度

与材料的厚度l、浓度C以及入射光的波长

有关。对于固体：定义

为旋光系数，它是入射光波长的函数对于液体：式中C为溶液的浓度。把磁性物质的样品，放在两个正交的偏振片之间，沿光传播方向加磁场H，则发现线偏光通过样品后，振动面旋转过一个角度

，实验表明：V叫做费尔德(Verdet)系数。

称为磁致旋光现象。磁光物质一束线偏振光沿光轴通过石英时，其偏振面会旋转一个角度，但当这束光反响通过石英时，其偏振面再次旋转并与入射偏振光的偏振面重合，即正、反两个偏振面的旋转互相抵消，这事一种互易性旋光特性，一般旋光物质都具有这种特性。当一束偏振态为A的线偏振光沿磁化强度M方向传播，即争相通过磁旋光材料时，将产生一法拉第旋转θ使光的偏振态变为B。当偏振态为B的偏振光反响通过该磁旋光材料时，其偏振态将不再变为A，而继续旋转θ角变为偏振态C。这样C的偏振方向为A的2θ角。这就是磁光效应的非互易性。（2）磁光旋转的测量-消光法在不同波长下测量磁光旋转的简单示意如图。其中，L为白光源，M为单色仪，P1为起偏器,S为待测样品,P2为带有测角仪的检偏器,D为光电检测器.由白光源发出的光,经单色仪后变为单色光,通过起偏器后成单色线偏振光。待测样品置于绕有励磁线圈的电磁铁中，光顺着或逆着磁场方向透过样品。当励磁线圈中没有电流时，调节检偏器的方向与起偏器的偏振方向正交，