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里程碑突破！燕山大学首次以第一单位发表Science，分层纳米结构策略打破合金多种性能权衡！

材料学网 · 公众号 · · 2024-08-12 20:41

正文

多功能的材料对社会产生了巨大的影响。然而，无法克服多种功能的权衡限制了下一代多功能材料的发现。

2024年8月8日，燕山大学张湘义及北京航空航天大学张海天共同通讯在 Science 在线发表题为 “ Fast fabrication of a hierarchical nanostructured multifunctional ferromagnet ” 的研究论文， 该研究 从传统的合金设计理念出发，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(PrCo ₅ )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。我们的策略还实现了矫顽力的特殊热稳定性(- 0.148%/°C)，这是器件精度和可靠性的关键特征，超过了现有的商用稀土磁体。 多功能源于有意引入的纳米层次结构，它激活了多种微机制来抵抗畴壁运动和电子传递，为多功能材料提供了一种先进的设计理念。

最后，iNature发现，这是燕山大学首次以第一单位发表 Science 研究成果。

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多种材料。例如，抗癌药物需要具有靶向和成像能力的材料，植入材料不仅需要结构可靠性，还需要生物相容性。同样，软体机器人中的人造肌肉需要同时保证高能效和良好的灵活性。在消耗全球40%以上电力的传感和驱动应用中，对多功能的需求变得尤其明显，需要一种单一的多功能材料来满足关键标准，如效率、准确性、可靠性。铁磁材料是这些应用中至关重要的材料的一个例子。

高能量密度要求高饱和磁化强度 ( M _s )和大矫顽力( H _c )，这对于最大限度地提高能源效率是必不可少的。由于电机中与涡流相关的能量损失与铁磁体的电阻率有关，因此需要大的电阻率来最小化涡流损耗并确保安全。强大的热稳定性，即抗热驱动磁不稳定性的能力，是实现高精度和可靠性所必需的。然而，在铁磁性材料中，能量密度和电阻率通常是相互排斥的，只能以牺牲彼此为代价来提高。现有的提高电阻率的方法引入了绝缘和非磁性元件，从而降低了 M _s ，降低了能量密度。

HNS的概念，创造多功能铁磁材料（图源自 Science ）

图1：用HNS的概念来制造多功能的铁磁性材料

图2：所设计的HNS材料的微观结构表征

图3：新型HNS材料的磁、电性能

图4：HNS PrCo5材料的磁化反转

为了阻止热驱动的磁不稳定性，例如 H _c 的下降，传统的方法仅仅优先考虑Hc本身的增强，而不是解决导致不稳定性的材料内部因素。这种策略不可避免地引入了非磁性和弱磁性元件或使用昂贵的重稀土元素，从而降低了 M _s ，从而降低了能量密度。此外， 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。这些基本物理性质之间的权衡为铁磁材料实现所需的多功能性创造了一个基本的困境。 同样，在其他材料系统中，由于各种功能之间复杂的权衡，实现多功能已被证明是极具挑战性的。

从传统的合金设计策略出发，研究人员展示了一种HNS设计概念，通过HNS引发的新兴物理机制来克服创建多功能材料的多重权衡，其中多种功能机制通过纳米层次结构的丰富界面效应被激活。HNS策略导致了一类多功能高温铁磁材料的发现，这些材料具有高能量积，大电阻率和优越的矫顽力热稳定性的特殊组合，超过了现有的高温铁磁材料。这一成就打破了一个长期存在的困境，即铁磁材料的基本特性只能以牺牲彼此为代价来增强。高能量密度和高电阻率在HNS铁磁体中的不寻常组合导致涡流损耗从161.1 W/kg降低到72.1 W/kg，驱动电机的工作温度下降~27°C，与传统的对应产品相比，实验结果进一步证明了这一点。

参考消息：

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

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