近日，材環(huán)學(xué)院趙利忠團隊以杭電為第一單位在國際頂級學(xué)術(shù)期刊Advanced Materials發(fā)表題為Intrinsically High Magnetic Performance in Core-shell Structural (Sm, Y)Fe12-based Permanent Magnets的學(xué)術(shù)論文，影響因子為30.849。其中稀土永磁團隊負責人趙利忠研究員為論文第一作者，張雪峰教授為通訊作者，鋼鐵研究總院李衛(wèi)院士為共同通訊作者。杭州電子科技大學(xué)蘇銳博士、研究生文林、劉孝蓮博士、張振華博士、趙榮志博士，南昌航空大學(xué)李偉博士，合肥強磁場實驗室韓玉巖副研究員參與此項工作。
新能源汽車、風力發(fā)電和工業(yè)機器人等新興產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展對高功率永磁電機提出了急迫的需求，而高溫內(nèi)稟磁性能強且低成本的ThMn12新型永磁有望成為高功率永磁電機的首選材料。然而，由于ThMn12型SmFe12相的亞穩(wěn)特性，需加入大量非磁性元素以穩(wěn)定ThMn12相，但隨著穩(wěn)定元素加入ThMn12相的飽和磁化強度μ0Ms急劇下降。因此，同時保持高的相穩(wěn)定性和磁性能是目前ThMn12新型永磁產(chǎn)業(yè)化面臨的一大難點。近期研究發(fā)現(xiàn)稀土位Y元素的替代可以提升相穩(wěn)定性從而大幅增強ThMn12相的μ0Ms，但由于Y元素不具備4f電子也急劇降低了ThMn12相的各向異性場μ0Ha。
趙利忠團隊突破性提出了一種利用調(diào)幅分解在(Sm, Y)Fe12基磁體中自發(fā)構(gòu)建核殼結(jié)構(gòu)的方法，實現(xiàn)了ThMn12磁體相穩(wěn)定性和內(nèi)稟磁性能的同步提升，從而突破了以上難點。研究表明，通過Y、Co和Ti元素的協(xié)同優(yōu)化以及核殼結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑，獲得了μ0Ha為9.24 T和μ0Ms為1.52 T的高性能磁體。同時磁體中較低的軟磁α-Fe含量也預(yù)示該磁體具有較好的產(chǎn)業(yè)化前景，適合規(guī)模化生產(chǎn)。作者團隊結(jié)合洛倫茲、球差校正透射電鏡等表征手段和模擬計算，闡明了Y、Co和Ti元素添加對磁體相穩(wěn)定性和內(nèi)稟磁性能的影響機制、核殼結(jié)構(gòu)形成機理及其與高磁性能之間內(nèi)在聯(lián)系，為高性能永磁體的設(shè)計和制備提供了一種重要策略。
通過第一性原理計算（圖1）發(fā)現(xiàn)在(Sm1?nYn)(Fe12?m?lComTil)體系中，Y和Co元素的替代可大幅降低體系的形成能。其中，當Y添加量為n=0.25時，系統(tǒng)的混合焓ΔHmix最大預(yù)示具有最強的調(diào)幅分解驅(qū)動力。此外，通過大量前期研究確定Co的最優(yōu)替代量為Fe元素的20%，因此m確定為2.4-0.2l。因此，DFT結(jié)果顯示在Sm0.75Y0.25(Fe0.8Co0.2)12-lTil體系中μ0Ms隨著Ti含量降低快速提升，但Y元素的引入大幅降低了ThMn12相的μ0Ha并隨著Ti含量降低略有恢復(fù)，當Ti含量l=0.65時體系的相穩(wěn)定性可與穩(wěn)定的SmFe11Ti相持平。
圖1 (a)ThMn12型SmFe12相的晶胞示意圖，(b)Y、Co和Ti在SmFe12相中不同晶位的取代能，(c) (Sm1?nYn)Fe12、Sm(Fe12?mCom) 和Sm(Fe12 ?lTil)體系的形成能，(d) (Sm1-nYn)(Fe0.8Co0.2)11Ti (n=0-1.0)體系隨Y元素變化的混合焓，(e) Sm0.75Y0.25(Fe0.8Co0.2)12-lTil (l = 0.5, 0.75, 1.0)和SmFe11Ti體系的形成能、飽和磁化強度與各向異性常數(shù)
為驗證計算結(jié)果，制備了成分為Sm0.75Y0.25(Fe0.8Co0.2)12-lTil (l=0.5-1.0)合金并進行了1100℃、48h的熱處理以獲得ThMn12相。其中l(wèi)=0.5合金出現(xiàn)了大量的TbCu7相，當l ≥ 0.625合金獲得了穩(wěn)定的ThMn12相并析出了少量的α-Fe相，而且當l ≥ 0.65時合金出現(xiàn)了明顯的調(diào)幅分解，其中l(wèi) = 0.75和0.875合金獲得較好的核殼結(jié)構(gòu)，這一結(jié)果很好驗證了成分設(shè)計的可靠性。進一步研究Sm0.75Y0.25(Fe0.8Co0.2)11.25Ti0.75合金的核殼結(jié)構(gòu)，通過圖2能譜面掃結(jié)果可見Sm元素富集于殼內(nèi)而Y元素在核內(nèi)富集，而Fe、Co和Ti元素分布均勻。為研究其形成過程，對鑄造合金進行了不同時間的熱處理，發(fā)現(xiàn)0h并未發(fā)生成分起伏，12h后初步出現(xiàn)成分起伏，24h開始形成核殼結(jié)構(gòu)此后核殼結(jié)構(gòu)慢慢長大，完全符合調(diào)幅分解的過程。
圖2 (a)1100℃、48h熱處理的Sm0.75Y0.25(Fe0.8Co0.2)11.25Ti0.75合金的背散射電鏡及其能譜面掃圖，(b)不同時間熱處理的背散射電鏡圖，(c)ThMn12相中Sm和Y元素能譜線掃圖
研究對Sm0.75Y0.25(Fe0.8Co0.2)12-lTil (l=0.5-1.0)合金進行了磁性能測試，結(jié)果如圖3所示。與理論預(yù)測相似，隨Ti元素降低合金的μ0Ms線性增加，其中l(wèi) = 0.625合金的μ0Ms達到了1.52 T，居里溫度的變化趨勢與μ0Ms類似。而μ0Ha先隨著Ti含量降低大幅提升，在l = 0.75時達到了最大的9.24 T，比理論值高1.0 T，然后隨著Ti含量降低緩慢降低，這一反常的變化與理論值出現(xiàn)了偏離，而這一正向偏離正是由核殼結(jié)構(gòu)的形成引起的。
圖3 (a)Sm0.75Y0.25(Fe0.8Co0.2)12-lTil (l=0.5-1.0)合金隨Ti含量變化的μ0Ms和μ0Ha理論計算值和實驗值，(b)隨Ti含量變化的M-T曲線
為驗證核殼結(jié)構(gòu)對磁性能的影響，通過FIB沿核殼結(jié)構(gòu)界面切取了一個樣品。如圖4所示，樣品從左到右為殼到核，其Sm/RE%含量從80%降低到70%，用DFT計算發(fā)現(xiàn)其各向異性常數(shù)也逐漸降低。通過原位加場洛倫茲TEM電鏡表征可以發(fā)現(xiàn)處于各向異性場較弱的核內(nèi)反磁化疇優(yōu)先移動并快速長大，直接證明富Sm外殼對磁疇的釘扎作用，而這一作用有利于磁體矯頑力的提升。
圖4 (a) Sm0.75Y0.25(Fe0.8Co0.2)11.25Ti0.75合金核殼結(jié)構(gòu)界面的TEM圖，(b)從殼到核Sm/RE%、Y/RE%和各向異性常數(shù)的變化，(c)磁疇結(jié)構(gòu)隨外加磁場的變化
為進一步驗證核殼結(jié)構(gòu)對大塊磁體矯頑力的影響，圖5采用了微磁學(xué)模擬建立了平均成分為Sm0.75Y0.25(Fe0.8Co0.2)11.25Ti0.75有和無核殼結(jié)構(gòu)的兩個模型，從模擬的退磁曲線可以看出存在核殼結(jié)構(gòu)的磁體矯頑力提升了410 kA/m(11.2%)，觀察其退磁過程，發(fā)現(xiàn)磁疇優(yōu)先在核內(nèi)形核，但被核殼結(jié)構(gòu)界面釘扎，這一界面的釘扎作用是矯頑力提升的關(guān)鍵。
圖5 (a)Sm0.75Y0.25(Fe0.8Co0.2)11.25Ti0.75無(a)和(b)有核殼結(jié)構(gòu)的模型圖，(c)模擬的退磁曲線圖，(d)無核殼結(jié)構(gòu)模型反磁化疇的形核圖，有核殼機構(gòu)模型反磁化的形核(e)與(f)長大圖
