第18章 稀土功能材料简介.pdfVIP

稀土功能材料简介 高新技术的发展对各种性能的功能材料提出了更高的要求，如超导技术的发展要求研制 出临界温度更高的“高温超导”材料；氢能源研究要求研制出高效率的吸氢材料；电子计算 机技术的飞速发展要求有性能更好的磁记录材料；永磁器件的发展对永磁材料提出了更高的 要求；光电转换技术的发展要求开发出性能更好的发光材料，等等。稀土元素及其化合物具 有许多特殊的光、电、磁、声、热、力及其相互转换的性能，因此，它们在现代材料科学技 术中占据着重要的地位。在此简单介绍几种重要的稀土功能材料。 ● 稀土超导陶瓷 一种重要的超导陶瓷的化学式为Ba YCu O － ，Y 可以被稀土元素特别是重稀土元素取 2 3 7 x 代，用Gd，Dy，Ho ，Er ，Tm，Tb 和Lu 取代Y 后形成相应的超导单相或多相材料，其晶 体结构有的已经确定，有的还在研究中。如 Ba －La －Cu－O 超导体的超导临界温度 Tc 为 30K，它属缺氧的K NiF 型结构，是立方晶系。其结构特点在于晶体点阵中存在一些Cu－ 2 4 O 平面层，而每一个Cu －O 平面层又被两层La(Ba) －O 平面层夹在中间，它的超导性被认 为是由Cu －O 平面引起的。对于Y －Ba－Cu －O 超导体，其超导临界温度T 为90 K，属 c 于斜方晶系，它与La －Ba －Cu－O 不同，是正交畸变钙钛矿型结构。它由3 个钙钛矿单胞 重叠而成，其晶胞常数为： a = 38.02 pm b = 38.93 pm c = 116.88 pm 从上到下依次由Cu－O, Ba －O, Cu －O, Y, Cu －O, Ba －O 和Cu－O 层排列而成，中间的两 个Cu－O 层中，Cu 处于八面体的中心，在Cu －O 层平面内，Cu－O 为短键，在c 轴方向 上的Cu －O 键伸长，这是由于与Y 原子相连的氧原子全部丢失，正电荷的过剩导致四周的 氧原子向它靠拢，使中间两层Cu －O 平面扭曲。Ba －O 层中是离子键合，属绝缘层，而两 个Ba －O 层面间的Cu －O 平面，a 轴的氧原子容易丢失，从而形成了在b 轴方向一维的有 序结构，正是这种Cu －O 平面和Cu－O 键对T 起着决定性作用。随着对超导材料的深入研 c 究，将会不断地揭示稀土超导陶瓷的组成、微观结构与超导电性的关系。 对超导机理的长期探索研究，已提出了诸如电－声子理论 （BCS 理论和强耦合理论）、 激子型机制、等离子体机制、电子－空穴对模型、非平衡效应等理论，但迄今还不能对超导 电性做出圆满的解释。 由于稀土超导陶瓷材料具有许多优良特性，其应用极为广泛，它可以用来实现人们多年 来梦想的无能量损耗远距离输电，建造用于粒子加速器等方面的高强度磁场、新型磁流体发 电设备和受控热核反应等。在交通运输方面，利用超导陶瓷的强抗磁性制造磁悬浮列车，它 没有车轮，靠磁力在铁轨上 “漂浮”滑行，其速度高、运行平稳、安全可靠，时速可超过 400 km·h-1 。超导材料还可用于制作超导电磁推进器和空间推进系统，其推进原理是在船体 内部安装一个超导磁体，于海水中产生强大磁场；同时在船体侧面放一电极，在海水中产生 了强大电流，在船尾后的海水中，磁力线和电流发生交互作用，海水在后面对船体就可以产 生强大的推动力。在电子工程方面可利用超导体的性质提高电子计算机的运算速度和缩小体 积。可制成超导体器件如超导二极管、超导量子干涉器、超导场效应晶体管、超导磁通量子 器件等用于各种尖端电子产品中。 当然，高温超导陶瓷的应用还远不止这些，特别是稀土超导陶瓷的应用前景非常广阔， 这就是目前世界上许多国家在这一研究领域中争分夺秒激烈竞争的主要原因。 ● 稀土贮氢材料 稀土元素与过渡金属元素可形成各类金属间化合物。在1960 年发现SmCo5 具有贮氢性 质后，推动了20 世纪70 年代贮氢材料LaNi5 的研制。LaNi5 贮氢合金因具有制备简单、易 活化、贮氢量大、吸氢速率快、不易中毒等优良特性，现已作为实用化的