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燕山大学张湘义教授研究团队在纳米复合永磁材料研究领域取得重要进展

2017年06月15日 10:41 亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室 张春祥 点击:[]

【新闻中心讯】近日,我校亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室张湘义教授科研团队在纳米复合永磁材料研究领域取得重要进展。科研团队采用纳米化途径,使用较少的稀土金属,制备出磁能积(衡量永磁材料性能的关键指标)超过相应的纯稀土永磁材料的块体纳米复合材料,有关研究成果以“Novel Bimorphological Anisotropic Bulk Nanocomposite Materials with High Energy Products(具有高磁能积的新奇双形态各向异性块体纳米复合材料)”为题在Advanced Materials杂志上发表。论文发表后,Advanced Science News网站以“Stronger Magnets with Smaller Amounts of Rare Earth Metals”为标题并配图介绍了该项工作,国家自然科学基金委网站也以“我国学者在纳米复合永磁材料研究领域取得重要进展”为标题对这项工作进行了报道。 

从笔记本电脑到高效洗衣机,从电动汽车到风力发电,永磁材料无处不在,它们的发展对人类生活方式的改变和社会进步正在产生空前的影响。然而,现有的强磁体都是稀土永磁材料,昂贵、有限的稀土资源严重制约了这类材料的广泛应用,使它们难以满足日益增长的社会需求。二十多年前,有研究者设想,将稀土硬磁材料与软磁材料结合起来形成交换耦合纳米复合磁体,可望获得比纯稀土磁体更强的磁性能,并能较大程度地降低稀土金属的用量。但是,迄今为止,人们一直没有获得这种磁性能又强、成本又廉价的复合磁体。主要的挑战是需要在纳米尺度上对软磁材料晶粒的尺寸(等于或小于10纳米)、分布和含量以及硬磁材料的晶体取向进行同时控制,其艰难程度被认为是一个“工程噩梦”。因此,大多数人声称,通过纳米化来发展超强永磁体是一件“异想天开的事”和“令人敬畏的挑战”。

在国家自然科学基金的持续资助下,张湘义教授的研究团队提出了一种新颖的变形策略,制备出各向异性块体SmCo/FeCo纳米复合永磁材料,从而巧妙地解决了这个困扰世界各国研究人员二十多年的“工程噩梦”。该材料的磁能积(28 MGOe)为当前报道的含高软相分数块体纳米复合磁体的最高值,并超过了相应的纯稀土永磁材料(磁能积提高了58%)。另外,所制备的纳米复合材料的磁能积可以与当前商业SmCo5和Sm2Co17磁体相媲美,但是,少用稀土钐(Sm)20−39 %(重量百分数)。这优异的性能源于他们实现了对软、硬磁晶粒多个结构参数的同时控制。研究小组先采用机械合金化技术将软磁晶粒均匀分布在Sm−Co非晶基体上来控制软相的尺寸、含量和分布;然后,采用高压热梯度压缩变形,利用晶体的应变能各向异性,使硬磁晶粒在非晶基体中垂直取向生长,以获得沿易磁化轴对中的柱状硬磁纳米晶体,从而实现了对软磁和硬磁晶粒结构的同时控制。

块体SmCoFe(Co)纳米复合磁体以及纯SmCo稀土磁体的磁能积比较

另外,张湘义教授科研团队还发现通过改变变形温度可以对硬磁纳米晶的尺寸(小于10纳米)和形态(球形、柱状和盘状)进行调控;他们通过控制合金熔体的结构,制备出三维类壳/核软、硬磁异质纳米结构,其磁能积为当前各向同性永磁材料的最高值。有关研究结果分别发表在2017年和2016年的Nano Letters杂志上。

这些研究成果为探索低稀土超强永磁材料提供了新的策略和方向。所建立的技术不仅适用于其它永磁材料体系,而且可用于其它功能材料的纳米化,实现块体纳米结构的可控制备。所提出的制备策略将激励人们探索复杂异质纳米结构的可控生长和空前的性能。(编辑/刘蕊)

 

相关论文链接:

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201606430/full

 

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.7b00264

 

 

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.6b02210

       

 

 

 

 

 

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