材料科学与工程学院在多相磁性材料领域取得新进展

2024年11月23日，国际材料领域顶级期刊《Nature Communications》刊发了河北工业大学材料科学与工程学院河北省新型功能材料重点实验室孙继兵教授及其合作者的研究成果，论文题目是“High-performance multiphase Sm-Co-B alloys with coercivities up to 6.71 MA·m−1”（矫顽力高达6.71 MA⸱m−1的高性能多相Sm-Co-B合金）。河北工业大学为论文的第一完成单位和第一通讯单位，合作单位包括松山湖材料实验室、zky物理所和上海大学。

研究背景：

众所周知，Nd-Fe-B和Sm-Co基合金是最广泛应用的稀土永磁材料。高的室温矫顽力被认为是具有优异高温永磁性能的必要条件。在4.2 K下六方晶系SmCo4B相的各向异性场95.49 MA·m−1远大于SmCo5相的56.50 MA·m−1，是目前已知的最硬的硬磁性相。然而，其低饱和磁化强度和实际矫顽力严重限制了其可能的应用。在许多磁性同行的基础上，孙继兵教授团队经长时间地探索（10.1016/j.matlet.2024.136124；10.1016/j.jallcom.2023.170266；10.1016/j.jallcom.2023.169107；10.1016/j.jallcom.2022.163687；10.1016/j.jnoncrysol.2021.120751；10.1063/1.5099331；10.1016/j.jmmm.2018.06.049），发现添加Pr、Fe可以提高SmCo4B合金的磁化强度到34.8 A⸱m2⸱kg−1，添加Cu可以提高合金的室温矫顽力到最高3.99 MA·m−1，但磁化强度与矫顽力总是倒置的变化关系；而且添加Fe导致SmCo4B合金表现为多相的复杂微结构。而本文为充分利用这种多相的微结构同时提高Sm-Co-B合金的室温矫顽力与磁化强度提供了一种新的思路。

工作介绍：

论文提出在SmCo4B合金中添加高比例Fe提高合金的磁化强度的同时，添加另一种具有稳定六方SmCo5型结构的铁磁性Ni元素，大量应用Rietveld精修X射线衍射图，通过差示扫描量热仪、透射电镜、洛伦兹透射电镜、物理性能测试系统对SmCo4–x–yFexNiyB (x = 1.0–2.0, y=0.8–1.0)系列合金的相含量、相变热力学、动力学、微结构、磁畴、磁性能及磁相互作用进行了详细的研究，并在本文中报导了9种合金，在由片状晶和等轴晶组成的退火薄带中获得了5.68–6.71 MA·m−1的超高室温矫顽力，在磁场下的最大磁化强度提高到了55.4–98.0 A⸱m2⸱kg−1，剩磁提高到了41.5–72.7 A⸱m2⸱kg−1，同时提出了具有优异永磁性能的多组分和多硬磁相的四种微结构，总结了相变过程，揭示了相组成、相含量、微结构、磁畴结构与磁性能间的关系。特别地，获得的6.71 MA/m (8.43T)的室温矫顽力远高于目前报道的所有薄带磁体的矫顽力值。

关键创新点：

通过调控铁磁性的Fe与Ni元素含量改变相变过程，设计了新颖的Sm(Co, Fe, Ni)4B合金，构建了片状-等轴状的多相混合微结构，同时借助于多硬磁性相的高各向异性、多相畴壁能的差异性及相界极大地阻碍了退磁过程中反向畴的形核与扩展，使SmCo4B型合金的综合硬磁性性能得到显著提升。

期刊编辑评论：

钐钴基磁体是一种至关重要的工业磁体，人们一直在努力通过添加铁来提高性能和降低成本。不幸的是，这是以牺牲物相的稳定性为代价的。在这里，王等人通过仔细选择成分，展示了一种具有6.71 MA/m超高矫顽力的钐钴永磁体。

第一作者简介：

王舒，本科毕业于哈尔滨理工大学，河北工业大学材料科学与工程学院2024届博士，指导教师为孙继兵教授。硕博连读期间专注于Sm-Co-B合金的研究，在Nature Communications、Journal of Alloys Compounds、Matirials Chemistry and Physics等期刊以第一作者身份发表学术论文6篇。

第一通讯作者简介：

孙继兵，教授，博士生指导教师。主要研究方向是金属磁功能材料、金属基复合材料、非晶材料、增材制造与先进钢铁材料。主持国家自然科学基金面上项目3项，中央引导地方科技发展资金、天津市应用基础与前沿技术研究计划重点项目、河北省自然科学基金等项目7项；以第二完成人完成省级以上科研项目9项；获省部级自然科学奖3项；发表学术论文170篇；以第1发明人授权国家发明专利26件；指导博士与硕士研究生55名。

致谢：

本工作得到国家自然科学基金（52371185）、河北省自然科学基金（E2022202017）和河北省新型功能材料重点实验室基金（22567635H）的资助，同时得到了河北工业大学材料科学与工程学院及合作者的大力支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-54610-6

图文：河北省新型功能材料重点实验室金属基复合材料磁性材料团队

审核：夏兴川