燕大團隊在納米複合永磁材料領域取得重要進展

查看大圖

近日，燕山大學亞穩材料製備技術與科學國家重點實驗室張湘義教授科研團隊在納米複合永磁材料研究領域取得重要進展。科研團隊採用納米化途徑，使用較少的稀土金屬，製備出磁能積（衡量永磁材料性能的關鍵指標）超過相應的純稀土永磁材料的塊體納米複合材料，有關研究成果以「Novel Bimorphological Anisotropic Bulk Nanocomposite Materials with High Energy Products（具有高磁能積的新奇雙形態各向異性塊體納米複合材料）」為題在Advanced Materials雜誌上發表。論文發表後，Advanced Science News網站以「Stronger Magnets with Smaller Amounts of Rare Earth Metals」為標題並配圖介紹了該項工作，國家自然科學基金委網站也以「我國學者在納米複合永磁材料研究領域取得重要進展」為標題對這項工作進行了報道。

從筆記本電腦到高效洗衣機，從電動汽車到風力發電，永磁材料無處不在，它們的發展對人類生活方式的改變和社會進步正在產生空前的影響。然而，現有的強磁體都是稀土永磁材料，昂貴、有限的稀土資源嚴重製約了這類材料的廣泛應用，使它們難以滿足日益增長的社會需求。二十多年前，有研究者設想，將稀土硬磁材料與軟磁材料結合起來形成交換耦合納米複合磁體，可望獲得比純稀土磁體更強的磁性能，並能較大程度地降低稀土金屬的用量。但是，迄今為止，人們一直沒有獲得這種磁性能又強、成本又廉價的複合磁體。主要的挑戰是需要在納米尺度上對軟磁材料晶粒的尺寸（等於或小於10納米）、分布和含量以及硬磁材料的晶體取向進行同時控制，其艱難程度被認為是一個「工程噩夢」。因此，大多數人聲稱，通過納米化來發展超強永磁體是一件「異想天開的事」和「令人敬畏的挑戰」。

在國家自然科學基金的持續資助下，張湘義教授的研究團隊提出了一種新穎的變形策略，製備出各向異性塊體SmCo/FeCo納米複合永磁材料，從而巧妙地解決了這個困擾世界各國研究人員二十多年的「工程噩夢」。該材料的磁能積（28 MGOe）為當前報道的含高軟相分數塊體納米複合磁體的最高值，並超過了相應的純稀土永磁材料（磁能積提高了58%）。另外，所製備的納米複合材料的磁能積可以與當前商業SmCo5和Sm2Co17磁體相媲美，但是，少用稀土釤（Sm）20?39 %（重量百分數）。這優異的性能源於他們實現了對軟、硬磁晶粒多個結構參數的同時控制。研究小組先採用機械合金化技術將軟磁晶粒均勻分布在Sm?Co非晶基體上來控制軟相的尺寸、含量和分布；然後，採用高壓熱梯度壓縮變形，利用晶體的應變能各向異性，使硬磁晶粒在非晶基體中垂直取向生長，以獲得沿易磁化軸對中的柱狀硬磁納米晶體，從而實現了對軟磁和硬磁晶粒結構的同時控制。

AdvancedMaterials《先進材料》是工程與計算大學科、材料與化學大領域的頂尖期刊，在國際材料領域科研界上享譽盛名。該雜誌在材料與化學兩個大領域屬於頂尖期刊，在材料與化學大學科領域所有雜誌中排名第四（第一為TheJournaloftheAmericanChemicalSociety，即JACS）由於第二第三均是綜述類雜誌，會概述某個方向之前的研究進展，但不接收新的研究進展，所以AdvancedMaterials實際上排第二。

另外，張湘義教授科研團隊還發現通過改變變形溫度可以對硬磁納米晶的尺寸（小於10納米）和形態（球形、柱狀和盤狀）進行調控;他們通過控制合金熔體的結構，製備出三維類殼/核軟、硬磁異質納米結構，其磁能積為當前各向同性永磁材料的最高值。有關研究結果分別發表在2017年和2016年的Nano Letters雜誌上。

這些研究成果為探索低稀土超強永磁材料提供了新的策略和方向。所建立的技術不僅適用於其它永磁材料體系，而且可用於其它功能材料的納米化，實現塊體納米結構的可控制備。所提出的製備策略將激勵人們探索複雜異質納米結構的可控生長和空前的性能。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！