稀土材料学课程总结 稀土材料:基础科研跟不上产业发展脚步

2017-10-19 - 稀土材料

    “我国稀土磁性材料新技术开发的原始创新不够,缺乏核心技术和知识产权,严重影响这个产业的可持续发展。”在近日召开的第519次香山科学会议上,与会专家呼吁加强稀土磁性材料特别是永磁的相关基础科学问题研究,改变这个领域基础科研明显滞后于产业发展的现状。

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    此次香山会议的主题是“稀土资源的高效利用与稀土磁性材料和物理”,其实,与稀土研究相关的香山科学会议已经开过多次,虽然每次会议讨论都很热烈,但我国稀土资源利用率低,依赖大量出口低端稀土产品的产业状况并没有根本改变。

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此次会议执行主席、中科院物理所研究员沈保根认为,造成目前状况的一个原因就是对稀土永磁等功能新材料的基础科研缺乏重视,使得其严重滞后于产业发展。

    据沈保根介绍,稀土功能新材料是目前国际研究的热点和重点,稀土功能材料的研究、开发和应用,不仅会大大丰富凝聚态物理的研究内容,推动相关学科的发展,而且将推动电子、电机、仪表、计算机、汽车等行业的重大进步。

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    然而,至今我国稀土永磁新材料、新技术开发还未完全摆脱模仿国外的局面,缺乏核心技术和知识产权。稀土永磁材料核心专利基本被国外垄断。全球发明专利8000多件,其中中国发明专利仅600多件,而且我国申请的大部分专利集中在制备工艺、成分调制及性能改进等方面。

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钕铁硼磁体原始专利被日本、美国占有,尽管这些专利在2014年前已陆续到期,但部分外围专利还有效,加之真正能与之抗衡的、商业化应用的新型永磁材料还没有出现,我国受国外专利制约的状况并无明显好转,严重影响了稀土永磁产业的可持续发展。

    一方面,我国稀土磁性材料新技术开发的原始创新不够,缺乏核心技术和知识产权,严重影响了产业的可持续发展。另一方面,随着我国稀土功能材料的规模生产和应用,以及国外需求量的迅速增加,导致了稀土元素需求不均衡问题。

由于稀土是伴生矿,从而导致对镨、钕、铽、镝等资源紧缺元素需求量大幅增加,而铈、镧、钇等高丰度稀土元素大量积压。稀土矿产资源的消耗速度加快,也带来了资源浪费和环境保护问题。

    与会专家认为,针对未来新型稀土功能材料的发展趋势和市场要求,必须重视稀土化合物的成相规律、结构、微结构、电子结构、能带结构、磁结构及晶场效应、稀土局域和非局域3d-4f电子间的相互作用和稀土化合物中稀土元素激发态等重要问题的研究,从而奠定稀土功能材料的理论基础,探索磁—磁、磁—热、磁—电、磁—弹耦合等新型功能材料,尤其要大力开发新型结构稀土永磁材料、新型稀土磁热效应材料、新型稀土氧化物的强磁电效应材料和新型高频用稀土磁性材料等及其应用,并通过高技术制备、检测和分析,在材料创新和性能提高等方面得到突破,藉此使我国由稀土功能材料的生产大国,变为拥有自己知识产权的生产强国。

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钪等稀土元素可大大改变材料特性,在新材料中的作用非常重要,是生产用于航空和3D打印应用的固体氧化物燃料电池和高强度铝合金的关键成分,在风力发电机、汽车、计算机、智能手机和其他高科技产品的制造中具有不可替代的作用。由于钪元素稀缺且生产成本高(目前在亚洲和俄罗斯有生产),其供应有限。欧洲没有生产钪的厂商。

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产业前沿讯,作为稀土先进材料,我们多考虑的是其全面替代其他材料的应用,比如钕铁硼磁钢替代铁氧体。然而实际上,替代本身需要一个过程,面临着改革传统的难度和产业转型之痛。同时,稀土先进材料也面临被替代的时刻。稀土原料供应问题从上世纪80年代中期以后,中国成为全球最大的稀土供应国。长期以来,中国以全球23的储量。

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“十二五”期间,863计划在新材料技术领域设立了“超高纯稀土金属及合金节能环保制备技术”课题,由北京有色金属研究总院牵头承担。经过几年攻关,课题取得了一系列重大进展,并于今年6月下旬顺利通过了科技部组织的专家验收。课题组通过稀土金属制备、提纯技术及装备的集成创新,突破超高纯稀土金属制备关键技术,自主设计研制了超高真空蒸馏炉、冷坩埚区域熔炼炉等14台套专用提纯设备。

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永磁体最基本的作用是在某一特定的空间永磁体产生一恒定的磁场,维持此磁场并不需要任何外部电源。标志永磁材料好强力吸铁石坏的参数有许多,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钕铁硼优异的特性。

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