我国学者与海外合作者在铁磁材料中发现定向磁化反转新机制
日期：
2021-09-06
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在国家自然科学基金项目（批准号：51931007、 51971196、52071279）资助下，燕山大学张湘义教授研究团队与北京工业大学岳明教授研究团队、中科院宁波材料所夏卫星研究员团队和美国普渡大学的研究人员合作，通过构筑梯度有序结构，在铁磁材料中发现定向磁化反转新机制，由此获得了当前各向同性永磁材料最高的能量密度（磁能积）。研究成果以“定向磁化反转使梯度纳米结构获得超高能量密度（Directional magnetization reversal enables ultrahigh energy density in gradient nanostructures）”为题，于2021年7月26日在线发表在《先进材料》(Advanced Materials) 杂志上。论文链接https://doi.org/10.1002/adma.202102800。发展绿色能源技术如电动汽车和风力发电等是解决人类社会面临的能源危机、环境污染和全球变暖等重大挑战的关键途径之一。高性能铁磁材料是这些绿色能源技术发展的核心材料。通常，铁磁材料的性能由其饱和磁化强度（Ms）和矫顽力（使材料磁化强度为零所施加的反向磁场，Hc）决定。由于真实材料内部总是存在结构缺陷，它们在磁化反转过程中既是反向畴的成核位置，又是畴壁位移的钉扎点，因此，铁磁材料通常表现出随机和不均匀的磁化反转行为。这种不均匀的磁化反转限制了铁磁材料获得一个理想的Hc。在过去的一个世纪，人们发展了各种各样的方法来抑制铁磁材料的随机和不均匀磁化反转，但是，这些方法都以牺牲Ms为代价，从而限制了铁磁材料性能的提高。如何在不牺牲Ms的条件下抑制随机、不均匀磁化反转成为铁磁材料领域的一个基本科学问题和重大技术挑战。为了解决这个科学问题，燕山大学研究人员及其合作团队采用结构基元序构的策略，通过对永磁材料的晶粒尺寸进行梯度有序排列，在Nd2Fe14B/a-Fe梯度纳米材料中发现了与传统的随机、不均匀磁化反转截然不同的定向磁化反转机制，即磁化反转首先从大晶粒开始，然后，逐步向小晶粒区有序发展（图a）。微磁学模拟和原位洛伦兹电镜观察结果证实了这个新机制。该定向磁化反转能在不牺牲Ms前提下提高材料的Hc，从而获得一个高Hc和高磁化强度的结合（图b）。因此，所构筑的Nd2Fe14B/a-Fe梯度纳米结构磁体获得了当前各向同性永磁材料最高的磁能积（26 MGOe）（图c），比通常报道的值（16-20 MGOe）提高了30-62%。上述研究结果表明，通过结构基元的有序构筑，可以突破长期以来依赖化学元素来发展磁性材料的模式，产生颠覆性的铁磁性能。这种基元序构策略还可以进一步拓展到其它功能材料和结构材料的设计，获得变革性的高性能材料。
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