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米测MeLab

2024-08-13

特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

原创丨米测MeLab

编辑丨风云

研究背景

多功能材料对社会影响巨大，为了满足全球对节能、节约资源和改善人类健康日益增长的需求，需要结合不同物理特性和功能的材料。铁磁材料是这些应用所必需的材料的一个例子，其中高能量密度需要高饱和磁化强度 (M_s) 和大矫顽力 (H_c)，这对于最大限度地提高能源效率至关重要。

关键问题

然而，现有铁磁材料的研究主要存在以下问题：

1、铁磁材料的能量密度和电阻率存在竞争关系

为了最大限度地减少涡流损耗并确保安全性，需要较大的电阻率，强大的热稳定性是抵抗热驱动磁不稳定性的能力，是实现高精度和可靠性的必要条件。然而，在铁磁材料中，能量密度和电阻率通常是相互排斥的。

2、实现多功能性材料已被证明极具挑战性

M_s和H_c之间存在长期的权衡限制了可以获得的能量密度，这些基本物理特性之间的权衡为铁磁材料实现所需的多功能性带来了根本性的困境。由于各种功能之间存在复杂的权衡，实现多功能性已被证明极具挑战性。      

新思路

有鉴于此，燕山大学张湘义教授和北京航空航天大学张海天教授等人提出了一种分层纳米结构 (HNS) 策略，以同时打破材料中的多种性能权衡。使用镨钴 (PrCo₅) 铁磁体作为概念验证，所得的 HNS 优于当代高温铁磁体，电阻率提高了50%至138%，同时实现了最高的能量密度。该策略还实现了出色的矫顽力热稳定性 (-0.148%/°C)，这是设备精度和可靠性的关键特性，超越了现有的商用稀土磁体。多功能性源于刻意引入的纳米分级结构，它激活了多种微观机制来抵抗畴壁移动和电子传输，为多功能材料提供了一种先进的设计理念。

技术方案：

1、构建并表征了HNS结构

作者采用焦耳加热技术与高压约束变形技术结合的方法，成功制造了具有HNS的PrCo₅二元合金。

2、探究了HNS PrCo₅的多功能特性

作者通过研究发现HNS PrCo₅材料表现出高H_ci 、大(BH)_max和优异热稳定性，适合高温应用如航空航天和医疗设备。 

技术优势：

1、提出了分层纳米结构（HNS）的设计策略

作者提出通过设计具有丰富有序子结构的HNS来协同操纵磁、电、热和光学特性，从而创造所需的多功能性。使用铁磁材料作为概念验证，得到的HNS 铁磁体表现出超越现有高温铁磁体的多种功能特性的吸引力，具有高能量密度、大电阻率和优异的矫顽力热稳定性。

2、基于焦耳加热的约束变形技术可以快速合成完全致密的大规模块体材料

本研究的设计基于焦耳加热的约束变形技术，能够在几秒钟内快速合成完全致密的大规模块体材料，以动力学方式产生HNS，为制造具有可调纳米级和原子级特征的复杂块体HNS材料提供了强大的平台。

技术细节

HNS构造和表征

为了验证层次纳米结构（HNS）设计理念，作者选择PrCo₅二元合金作为模型系统，并通过第一性原理计算确认了其适用性。作者开发了一种基于焦耳加热的高压约束变形技术，使用非晶前体，实现了高应力和大应变下的快速制造，与传统的长时间高温烧结方法相比，显著缩短了加工时间。通过TEM、XRD和STEM等技术表征，发现变形样品由等轴晶粒组成，晶粒内含有高密度的堆垛层错（SF），并且PrCo₅晶粒沿c轴排列，显示出强烈的[001]纹理。此外，原子尺度的EDS分析揭示了晶粒中Pr原子的丰富度，与SF的形成有关。该工作成功制造出有序的HNS材料，其中PrCo₅纳米晶粒内嵌入了高密度SF，并具有原子级局部成分变化，且可通过加工参数调节HNS的特性。    

图  HNS打造多功能铁磁材料的概念 

图  设计的HNS材料的微观结构表征

多功能特性

作者通过研究表明，通过焦耳加热和高压约束变形技术合成的HNS PrCo₅材料，展现出了卓越的磁性和电学性能以及高热稳定性。与传统的CGS PrCo₅和SmCo₅材料相比，HNS PrCo₅具有更高的固有矫顽力(H_ci)和电阻率(r)，同时保持了高的剩磁(B_r)。具体来说，HNS PrCo₅的H_ci达到了7.3 kOe，是CGS材料的两倍多，而且其(BH)_max达到了33 MGOe，比CGS材料高83%，超过了传统PrCo₅磁体通常低于25 MGOe的值。HNS PrCo₅还表现出很大的电阻率 r，在室温下高达10⁵ 微欧姆·厘米。该值超过了 SmCo₅  和 Sm₂(Co,Fe,Cu,Zr)₁₇，增强了50%至138%，也比 CGS PrCo₅大75%。此外，HNS材料在400°C下经过1000小时退火后，磁性能如(BH)_max、B_r和H_ci没有下降，显示出优异的热稳定性，这使得HNS PrCo₅材料非常适合高温应用。    

图  新型HNS材料的磁性能和电性能 

图  HNS PrCo₅材料的磁化反转

展望

总之，作者展示了一种 HNS 设计概念，通过HNS引发的新兴物理机制克服了创建多功能材料时的多种权衡，其中通过纳米分级结构的丰富界面效应激活了多种功能机制。HNS 策略导致发现了一类多功能高温铁磁材料，该材料具有高能量积、大电阻率和优异的矫顽力热稳定性的特殊组合，超越了现有的高温铁磁体。这一成就打破了长期以来存在的困境，即铁磁材料的基本特性只能以牺牲彼此为代价来增强。虽然这是一项概念验证研究，重点是通过设计 HNS 同时操纵畴壁运动和电子传输，但基本概念可以扩展到同时控制声子传输和光传播以及反应物的传输。此外，基于焦耳加热的受限变形技术提供了一个快速制造平台，可用于制造具有可调纳米级和原子级特征的块状HNS材料，并促进发现用于技术应用的下一代多功能材料。

参考文献：

Yingxin Hua, et al. Fast fabrication of a hierarchical nanostructured multifunctional ferromagnet. Science, 2024, 384(6709):634-643.

DOI: 10.1126/science.adp2328

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp2328