【新聞中心訊】燕山大學亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學國家重點實驗室極端變形研究中心張湘義教授團隊與國內(nèi)研究團隊合作，提出了一種多級納米結(jié)構(gòu)（HNS）的策略，成功破解了永磁材料中多種內(nèi)在的性能沖突，實驗發(fā)現(xiàn)了多功能鐵磁體。合成的HNS鐵磁體的性能優(yōu)于當代高溫永磁體。其電阻率增加了50%至138%，并獲得了最高的能量密度；另外，其矯頑力熱穩(wěn)定性優(yōu)于現(xiàn)有的稀土永磁材料。研究成果以“多級納米結(jié)構(gòu)多功能鐵磁體的快速制備”為題（Fast fabrication of a hierarchical nanostructured multifunctional ferromagnet），于2024年8月8日發(fā)表于Science期刊[Science Vol. 385, No. 6709]，論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp2328。

具有多功能特性的新材料對社會發(fā)展將產(chǎn)生巨大的影響。在消耗全球40%以上電力的電機及驅(qū)動器應用中，對多功能材料的需求尤為迫切。鐵磁材料是實現(xiàn)上述應用的關鍵材料。然而，在鐵磁材料中，高的飽和磁化強度和大的矯頑力之間、高能量密度與高電阻率和高熱穩(wěn)定性之間通常是相互排斥的。提高一種性能，往往以犧牲其它關鍵性能為代價。這些基本物理性能之間的倒置關系，使鐵磁材料難以獲得多功能特性。這種內(nèi)在的多重性能沖突（trade-offs），限制了新一代多功能材料的發(fā)現(xiàn)。

研究團隊提出了一種HNS設計策略[圖1]。團隊采用簡單的二元PrCo5合金為模型材料，通過制造豐富、有序的HNS，協(xié)同操縱了具有內(nèi)在矛盾的能量密度、電阻率和磁熱穩(wěn)定性，破解了鐵磁體中內(nèi)在的多種性能沖突。采用該策略制備的HNS永磁體同時具有高的能量密度、大的電阻率和高的矯頑力熱穩(wěn)定性，優(yōu)于現(xiàn)有的高溫鐵磁體。除了控制材料的電子輸運和疇壁移動，該HNS策略還可用來控制聲子傳輸和光傳播以及反應物的傳輸，發(fā)展下一代多功能材料。

與傳統(tǒng)的復雜合金設計理念不同，該HNS策略可用于簡單的二元合金，無需添加其它合金元素。因此，節(jié)約資源，簡化了材料的制造過程，尤其是避免了添加合金元素帶來的關鍵性能的惡化。為了獲得理想的多級納米有序結(jié)構(gòu)，研究團隊創(chuàng)建了具有鮮明特色的、基于焦耳熱加熱的高壓強約束熱變形技術(shù)。該技術(shù)能夠在幾秒鐘內(nèi)快速合成完全致密的塊體材料，并實現(xiàn)納米尺度和原子尺度結(jié)構(gòu)的可控構(gòu)筑和結(jié)構(gòu)特性的有效控制。

圖1 多級納米結(jié)構(gòu)(HNS)的設計策略和多功能鐵磁體的示意圖

該項研究結(jié)果表明，HNS策略能有效解決多功能材料合成中面臨的巨大挑戰(zhàn)。建立的高壓強約束熱變形技術(shù)為合成具有納米尺度結(jié)構(gòu)特征的塊體材料提供了一個快速制造平臺，對下一代多功能材料的發(fā)展和應用具有重要意義。該技術(shù)也可用于發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)制備技術(shù)無法獲得的各種亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)和亞穩(wěn)相材料。

該工作得到國家自然科學基金(51931007，U22A20116，52071279，52271236)和國家重點研發(fā)計劃(2022YFB3505600)等項目的資助。相關技術(shù)發(fā)明獲中國、美國和日本發(fā)明專利授權(quán)。我校化迎新博士和李曉紅教授為該論文的共同第一作者。（編輯 高慧淵）