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　　燕山大(da)學亞(ya)穩材料制備技(ji)術與(yu)科學國(guo)家重點實(shi)驗室極(ji)端變形研究中(zhong)心張湘義教授團隊(dui)與(yu)國(guo)內研究團隊(dui)合(he)作，提出了一(yi)種多級納米(mi)結構(gou)(gou)(HNS)的(de)(de)策略，成(cheng)功破(po)解了永磁(ci)材料中(zhong)多種內在的(de)(de)性能(neng)沖突，實(shi)驗發現了多功能(neng)鐵(tie)磁(ci)體(ti)。合(he)成(cheng)的(de)(de)HNS鐵(tie)磁(ci)體(ti)的(de)(de)性能(neng)優于(yu)當代高(gao)(gao)溫永磁(ci)體(ti)。其(qi)電阻(zu)率(lv)增加(jia)了50%至138%，并(bing)獲得了最(zui)高(gao)(gao)的(de)(de)能(neng)量密(mi)度;另外，其(qi)矯頑(wan)力(li)熱穩定性優于(yu)現有的(de)(de)稀土永磁(ci)材料。研究成(cheng)果以“多級納米(mi)結構(gou)(gou)多功能(neng)鐵(tie)磁(ci)體(ti)的(de)(de)快(kuai)速制備”為題(ti)(Fast fabrication of a hierarchical nanostructured multifunctional ferromagnet)，于(yu)2024年8月8日發表于(yu)Science期刊[Science Vol. 385, No. 6709]，論文鏈(lian)接：//www.science.org/doi/10.1126/science.adp2328。

　　具(ju)有(you)多(duo)功(gong)能(neng)(neng)特性(xing)的(de)(de)新(xin)(xin)材(cai)料(liao)(liao)(liao)對社會發(fa)展將產生巨大的(de)(de)影響(xiang)。在(zai)(zai)消耗全球40%以上(shang)電力的(de)(de)電機及(ji)驅動器應用中(zhong)，對多(duo)功(gong)能(neng)(neng)材(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)需求尤為(wei)迫切(qie)。鐵(tie)磁材(cai)料(liao)(liao)(liao)是實現上(shang)述應用的(de)(de)關(guan)(guan)鍵材(cai)料(liao)(liao)(liao)。然而(er)，在(zai)(zai)鐵(tie)磁材(cai)料(liao)(liao)(liao)中(zhong)，高(gao)(gao)(gao)的(de)(de)飽和磁化(hua)強(qiang)度(du)(du)和大的(de)(de)矯頑力之(zhi)間、高(gao)(gao)(gao)能(neng)(neng)量密度(du)(du)與高(gao)(gao)(gao)電阻率和高(gao)(gao)(gao)熱(re)穩(wen)定(ding)性(xing)之(zhi)間通(tong)常是相(xiang)互(hu)排斥(chi)的(de)(de)。提高(gao)(gao)(gao)一種性(xing)能(neng)(neng)，往往以犧(xi)牲其(qi)它關(guan)(guan)鍵性(xing)能(neng)(neng)為(wei)代(dai)價。這些基(ji)本物理性(xing)能(neng)(neng)之(zhi)間的(de)(de)倒置關(guan)(guan)系，使鐵(tie)磁材(cai)料(liao)(liao)(liao)難以獲得多(duo)功(gong)能(neng)(neng)特性(xing)。這種內在(zai)(zai)的(de)(de)多(duo)重性(xing)能(neng)(neng)沖突(trade-offs)，限制了新(xin)(xin)一代(dai)多(duo)功(gong)能(neng)(neng)材(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)發(fa)現。

　　研(yan)究(jiu)團隊提出了(le)一(yi)種HNS設計策(ce)略[圖(tu)1]。團隊采用簡單的(de)(de)(de)(de)(de)二(er)元PrCo5合(he)金為模型(xing)材料，通過制(zhi)(zhi)造(zao)豐富(fu)、有序的(de)(de)(de)(de)(de)HNS，協(xie)同(tong)(tong)操縱(zong)了(le)具有內(nei)在(zai)矛盾的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)量密(mi)度、電(dian)阻率和磁(ci)(ci)熱(re)穩(wen)定(ding)性(xing)，破解(jie)了(le)鐵磁(ci)(ci)體中內(nei)在(zai)的(de)(de)(de)(de)(de)多種性(xing)能(neng)沖(chong)突(tu)。采用該(gai)策(ce)略制(zhi)(zhi)備(bei)的(de)(de)(de)(de)(de)HNS永磁(ci)(ci)體同(tong)(tong)時(shi)具有高(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)量密(mi)度、大的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)阻率和高(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)矯頑力熱(re)穩(wen)定(ding)性(xing)，優于現有的(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)溫鐵磁(ci)(ci)體。除(chu)了(le)控制(zhi)(zhi)材料的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)子輸運和疇壁移動，該(gai)HNS策(ce)略還可用來控制(zhi)(zhi)聲子傳輸和光傳播以及反應(ying)物的(de)(de)(de)(de)(de)傳輸，發展下一(yi)代多功(gong)能(neng)材料。

　　與傳(chuan)統的(de)復(fu)雜合金(jin)設計理念不同，該HNS策略(lve)可(ke)用于簡單的(de)二元合金(jin)，無需添(tian)加(jia)其它合金(jin)元素。因此，節(jie)約(yue)資源，簡化了材(cai)料的(de)制造(zao)過(guo)程，尤其是避免了添(tian)加(jia)合金(jin)元素帶來(lai)的(de)關鍵性能的(de)惡化。為了獲(huo)得理想(xiang)的(de)多級納米有(you)序結構(gou)，研究團(tuan)隊創建了具有(you)鮮明特(te)色的(de)、基(ji)于焦耳熱(re)加(jia)熱(re)的(de)高(gao)壓強約(yue)束熱(re)變形技術。該技術能夠(gou)在幾秒鐘內(nei)快速合成完(wan)全致密的(de)塊體(ti)材(cai)料，并實現納米尺(chi)度和(he)(he)原(yuan)子尺(chi)度結構(gou)的(de)可(ke)控構(gou)筑和(he)(he)結構(gou)特(te)性的(de)有(you)效控制。

圖1 多級納米結構(HNS)的設計策略和(he)多功能鐵(tie)磁體的示意(yi)圖

　　該項研究結(jie)果表明，HNS策略(lve)能有(you)效解決多功(gong)能材(cai)料合(he)成中面臨的巨(ju)大挑戰。建(jian)立的高壓強約(yue)束(shu)熱變(bian)形技術(shu)為(wei)合(he)成具(ju)(ju)有(you)納米尺度(du)結(jie)構特征(zheng)的塊體材(cai)料提供了一個快速(su)制造平臺，對下一代(dai)多功(gong)能材(cai)料的發展和(he)應用具(ju)(ju)有(you)重要意(yi)義。該技術(shu)也可(ke)用于(yu)發現傳統制備技術(shu)無法(fa)獲得(de)的各種亞穩態結(jie)構和(he)亞穩相(xiang)材(cai)料。

　　該(gai)工作得到國(guo)家(jia)自然科學(xue)基(ji)金(51931007，U22A20116，52071279，52271236)和國(guo)家(jia)重點(dian)研發(fa)(fa)計劃(2022YFB3505600)等項(xiang)目的資助。相關(guan)技術發(fa)(fa)明獲(huo)中國(guo)、美(mei)國(guo)和日本(ben)發(fa)(fa)明專(zhuan)利授權。燕山大學(xue)化迎新博士(shi)和李(li)曉紅教(jiao)授為該(gai)論文的共同第一作者。