杜娟教授团队在纳米晶多硬相复合稀土永磁材料研究方面取得重要进展-上海大学材料科学与工程学院


杜娟教授团队在纳米晶多硬相复合稀土永磁材料研究方面取得重要进展


创建时间： 2023年02月27日 15:19 樊建荣浏览次数：

近日，上海大学材料学院杜娟教授团队和中国科学院宁波材料技术与工程研究所边宝茹副研究员等合作在国际著名期刊Materials Today Physics发表题为“Tripling magnetic energy product in magnetic hard/soft nanocomposite permanent magnets”以及J. Mater. Sci. Technol.上发表题为“High magnetic energy product in isotropic nanocomposite powders with high percent of soft phase towards ultrastrong magnets”研究论文。全伟、马龙飞和樊金奎为论文共同第一作者，杜娟教授和郑强教授为共同通讯作者。

具有超高磁能积和低稀土含量的软硬纳米复合永磁材料是最有可能实现的新一代永磁材料。纳米复合稀土永磁薄膜已经获得了远高于单相磁体的高磁能积，实现了性能上的突破。然而在纳米复合磁粉及块状磁体的物理法制备方面却遇到了瓶颈，这主要是因为纳米结构微观组织调控上存在诸多困难，包括软硬磁相的尺寸难以控制（通常>20nm）、合适的相组成及高的软磁相含量（通常< 28%）难以获得，导致软硬磁相难以达到理想的耦合条件。国内外在各向同性的SmCo/Fe(Co)纳米复合稀土永磁材料中获得的磁能积最大仅为19.2MGOe，甚至低于实验室和商业SmCo₅单相各向异性磁体所能获得最大值。杜娟教授多年来从事纳米晶磁性材料研究，研究团队通过多相纳米晶材料两步制备新工艺制备出了最高磁能积大于29MGOe的各向同性SmCo/FeCo复合材料，突破了SmCo₅单相各向同性稀土永磁材料25MGOe的最大值。这是纳米复合稀土永磁材料研究领域里程碑式的重要进展。

杜娟教授研究团队基于近期系列研究成果提出了多硬相复合来提高稀土永磁体剩磁的途径，发展了具有剩磁增强效应的多相硬纳米晶粉体和块体的可控制备新方法。对于永磁材料来说，多硬相相复合材料包括多硬相的硬-硬相复合永磁材料和多硬相的软-硬相纳米复合永磁材料。团队发展了多硬相纳米晶材料的两步制备新工艺：第一步采用两种以上原材料通过优化的球磨工艺制备出高度均匀分散的非晶纳米晶基材，第二步利用低温退火或低温多级温压工艺制备纳米晶复合粉体和高致密度的纳米晶复合块体材料。该工艺制备出来的纳米晶材料可实现所含多相颗粒的均匀分布；所含相含量连续可调（0~50%）；晶粒可实现<20nm的纳米晶尺寸。

图1 多硬相纳米复合稀土永磁材料的制备过程及微结构演变示意图

研究团队基于多相纳米晶材料可控制备工艺，利用Sm-Co合金和Fe粉为原材料，成功制备出磁能积为23.6~29.1 MGOe的各向同性多硬相SmCo/FeCo粉体和块体材料，超过了SmCo₅单相各向异性磁体25MGOe的最大值，所获得的各向同性SmCo/FeCo复合材料的磁能积是各向同性SmCo₃单硬相磁能积的9倍，是各向同性SmCo₅单相磁能积的3倍。该研究所获得的最大磁能积是目前各向同性纳米复合稀土永磁材料的磁能积记录（见图2）。多硬相SmCo/FeCo纳米晶复合材料的高磁能积的获得源于其特殊的微观组织结构：多硬相SmCo主要包括1:3和1:5相，还有少量的1:7相和 2:17 相Sm-Co，硬相成分中含有Fe元素；软相是具有高饱和磁化强度的FeCo相（纳米复合材料的微观组织结构见图3）。其中硬相的平均晶粒尺寸<10~15nm，软相的平均晶粒尺寸<15~20nm。当软磁相FeCo达到25~50%时，磁能积能达到25MGOe以上的水平。

图2 各向同性多硬相SmCo/FeCo 纳米复合材料的最大磁能积（a），与报道的各向同性纳米复合磁体的代表性磁能积对比（b）。

图3 SmCo/FeCo纳米复合材料的微观组织结构（a），所含相组成（b），所含主要硬相和软相的微观组织示意图（c），成分线扫描（d）。

研究团队基于以上工作发表的代表性SCI论文：J. Mater. Sci. Technol. 144 (2023) 161；Materials Today Physics, 26 (2022) 100750；J. Mater. Sci. Technol. 37 (2020)181；35 (2019) 560。该工作得到了国家自然科学基金面上项目（No. 52171184）和浙江省自然科学基金重大项目(No. LD19E010001)的支持。