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特別說明：本文由米測技術中心原創(chuàng)撰寫，旨在分享相關科研知識。因?qū)W識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。

原創(chuàng)丨米測MeLab

編輯丨風云

研究背景

多功能材料對社會影響巨大，為了滿足全球?qū)?jié)能、節(jié)約資源和改善人類健康日益增長的需求，需要結合不同物理特性和功能的材料。鐵磁材料是這些應用所必需的材料的一個例子，其中高能量密度需要高飽和磁化強度 (M_s) 和大矯頑力 (H_c)，這對于最大限度地提高能源效率至關重要。

關鍵問題

然而，現(xiàn)有鐵磁材料的研究主要存在以下問題：

1、鐵磁材料的能量密度和電阻率存在競爭關系

為了最大限度地減少渦流損耗并確保安全性，需要較大的電阻率，強大的熱穩(wěn)定性是抵抗熱驅(qū)動磁不穩(wěn)定性的能力，是實現(xiàn)高精度和可靠性的必要條件。然而，在鐵磁材料中，能量密度和電阻率通常是相互排斥的。

2、實現(xiàn)多功能性材料已被證明極具挑戰(zhàn)性

M_s和H_c之間存在長期的權衡限制了可以獲得的能量密度，這些基本物理特性之間的權衡為鐵磁材料實現(xiàn)所需的多功能性帶來了根本性的困境。由于各種功能之間存在復雜的權衡，實現(xiàn)多功能性已被證明極具挑戰(zhàn)性。      

新思路

有鑒于此，燕山大學張湘義教授和北京航空航天大學張海天教授等人提出了一種分層納米結構 (HNS) 策略，以同時打破材料中的多種性能權衡。使用鐠鈷 (PrCo₅) 鐵磁體作為概念驗證，所得的 HNS 優(yōu)于當代高溫鐵磁體，電阻率提高了50%至138%，同時實現(xiàn)了最高的能量密度。該策略還實現(xiàn)了出色的矯頑力熱穩(wěn)定性 (-0.148%/°C)，這是設備精度和可靠性的關鍵特性，超越了現(xiàn)有的商用稀土磁體。多功能性源于刻意引入的納米分級結構，它激活了多種微觀機制來抵抗疇壁移動和電子傳輸，為多功能材料提供了一種先進的設計理念。

技術方案：

1、構建并表征了HNS結構

作者采用焦耳加熱技術與高壓約束變形技術結合的方法，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

作者通過研究發(fā)現(xiàn)HNS PrCo₅材料表現(xiàn)出高H_ci 、大(BH)_max和優(yōu)異熱穩(wěn)定性，適合高溫應用如航空航天和醫(yī)療設備。 

技術優(yōu)勢：

1、提出了分層納米結構（HNS）的設計策略

作者提出通過設計具有豐富有序子結構的HNS來協(xié)同操縱磁、電、熱和光學特性，從而創(chuàng)造所需的多功能性。使用鐵磁材料作為概念驗證，得到的HNS 鐵磁體表現(xiàn)出超越現(xiàn)有高溫鐵磁體的多種功能特性的吸引力，具有高能量密度、大電阻率和優(yōu)異的矯頑力熱穩(wěn)定性。

2、基于焦耳加熱的約束變形技術可以快速合成完全致密的大規(guī)模塊體材料

本研究的設計基于焦耳加熱的約束變形技術，能夠在幾秒鐘內(nèi)快速合成完全致密的大規(guī)模塊體材料，以動力學方式產(chǎn)生HNS，為制造具有可調(diào)納米級和原子級特征的復雜塊體HNS材料提供了強大的平臺。

技術細節(jié)

HNS構造和表征

為了驗證層次納米結構（HNS）設計理念，作者選擇PrCo₅二元合金作為模型系統(tǒng)，并通過第一性原理計算確認了其適用性。作者開發(fā)了一種基于焦耳加熱的高壓約束變形技術，使用非晶前體，實現(xiàn)了高應力和大應變下的快速制造，與傳統(tǒng)的長時間高溫燒結方法相比，顯著縮短了加工時間。通過TEM、XRD和STEM等技術表征，發(fā)現(xiàn)變形樣品由等軸晶粒組成，晶粒內(nèi)含有高密度的堆垛層錯（SF），并且PrCo₅晶粒沿c軸排列，顯示出強烈的[001]紋理。此外，原子尺度的EDS分析揭示了晶粒中Pr原子的豐富度，與SF的形成有關。該工作成功制造出有序的HNS材料，其中PrCo₅納米晶粒內(nèi)嵌入了高密度SF，并具有原子級局部成分變化，且可通過加工參數(shù)調(diào)節(jié)HNS的特性。    

圖  HNS打造多功能鐵磁材料的概念 

圖  設計的HNS材料的微觀結構表征

多功能特性

作者通過研究表明，通過焦耳加熱和高壓約束變形技術合成的HNS PrCo₅材料，展現(xiàn)出了卓越的磁性和電學性能以及高熱穩(wěn)定性。與傳統(tǒng)的CGS PrCo₅和SmCo₅材料相比，HNS PrCo₅具有更高的固有矯頑力(H_ci)和電阻率(r)，同時保持了高的剩磁(B_r)。具體來說，HNS PrCo₅的H_ci達到了7.3 kOe，是CGS材料的兩倍多，而且其(BH)_max達到了33 MGOe，比CGS材料高83%，超過了傳統(tǒng)PrCo₅磁體通常低于25 MGOe的值。HNS PrCo₅還表現(xiàn)出很大的電阻率 r，在室溫下高達10⁵ 微歐姆·厘米。該值超過了 SmCo₅  和 Sm₂(Co,Fe,Cu,Zr)₁₇，增強了50%至138%，也比 CGS PrCo₅大75%。此外，HNS材料在400°C下經(jīng)過1000小時退火后，磁性能如(BH)_max、B_r和H_ci沒有下降，顯示出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，這使得HNS PrCo₅材料非常適合高溫應用。    

圖  新型HNS材料的磁性能和電性能 

圖  HNS PrCo₅材料的磁化反轉

展望

總之，作者展示了一種 HNS 設計概念，通過HNS引發(fā)的新興物理機制克服了創(chuàng)建多功能材料時的多種權衡，其中通過納米分級結構的豐富界面效應激活了多種功能機制。HNS 策略導致發(fā)現(xiàn)了一類多功能高溫鐵磁材料，該材料具有高能量積、大電阻率和優(yōu)異的矯頑力熱穩(wěn)定性的特殊組合，超越了現(xiàn)有的高溫鐵磁體。這一成就打破了長期以來存在的困境，即鐵磁材料的基本特性只能以犧牲彼此為代價來增強。雖然這是一項概念驗證研究，重點是通過設計 HNS 同時操縱疇壁運動和電子傳輸，但基本概念可以擴展到同時控制聲子傳輸和光傳播以及反應物的傳輸。此外，基于焦耳加熱的受限變形技術提供了一個快速制造平臺，可用于制造具有可調(diào)納米級和原子級特征的塊狀HNS材料，并促進發(fā)現(xiàn)用于技術應用的下一代多功能材料。

參考文獻：

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