悉尼大學鄭榮坤Physical Review Materials：稀土永磁材料-燒結釹鐵硼最新研究進展

【引言】

當前，稀土永磁釹鐵硼（Nd-Fe-B）已經被廣泛應用在生活的方方面面，諸如磁懸浮列車、電動汽車、風力發電、音響等。然而燒結釹鐵硼成品的矯頑力卻只有理論值（斯托納—沃爾法特極限）的20-30% （通常稱為布朗悖論），這嚴重限制了釹鐵硼的應用。現有理論認為，燒結釹鐵硼的矯頑力主要由在退磁過程中晶粒邊界附近產生的反向磁疇所需形核場決定。因此對晶粒邊界如何影響矯頑力進行三維定量分析尤其重要，這樣不僅可以加深對稀土永磁矯頑力機制的了解，還對實踐生產有指導意義。

【成果簡介】

近日，悉尼大學鄭榮坤副教授（通訊作者）和第一作者陳翰笙博士與團隊成員使用背散射衍射技術、原子尺度三維原子探針技術、以實驗結果為模擬參數擬合基礎的微磁學模擬技術報道了在燒結釹鐵硼中由于在納米尺度下成分不均勻的晶所導致的矯頑力進一步減低，并對晶粒邊界成分和矯頑力進行了三維定量分析。研究表明在燒結釹鐵硼中的晶粒邊界中鐵磁性元素（鐵和鈷）在70 nm的范圍內從67 at.%減少至10 at.%。這種成分不均勻的晶粒邊界附近產生反向磁疇所需要的形核場比含有同等鐵磁性元素含量的均勻的晶粒邊界產生反向磁疇所需要的形核場小27%。該成果不僅對工業生產，諸如納米尺度下控制晶粒邊界成分結構，具有指導意義， 同時本文所采用的分析方法也可以應用在其他磁性材料的成分與磁性性能的關系研究上。該研究成果以“Coercivity degradation caused by inhomogeneous grain boundaries in sintered Nd-Fe-B permanent magnets”為題刊登出版在Physical Review Materials上。

【圖文導讀】

圖1：燒結釹鐵硼在不同溫度 （280、300、320、340和360 K）下的磁滯回線。

圖2：燒結釹鐵硼在微米尺度下的顯微結構。

(a) 二次電子圖；
(b) 背散射電子圖；
(c) 標定的不同相的相圖（2:14:1主相用紅色標定，富稀土相用藍色標定，白色為未標定區域，黑色線條畫出了大角晶界）。
比例尺為20 微米

圖3：不均勻晶界在原子尺度下的三維原子探針結果，分別顯示了鐵、釹、鐠、硼、鈷、銅、鎵和鋁的在主相晶粒（MG1和MG2）和晶界（GB）下的分布。

邊界尺度為 ~70 nm × ~70 nm × ~190 nm

圖4：不均勻晶界在原子尺度下的三維原子探針結果的定量分析。發現燒結釹鐵硼中的不均勻晶界中鐵磁性元素（鐵和鈷）在70 nm的范圍內從67 at.%減少至10 at.%。

(a) 鐵原子的三維分布以及鐵的等含量曲面 (74.8 at.%)；
(b) 在紅色和藍色立方體中沿箭頭方向的鐵、釹、鐠的成分變化分布；
(c) 在綠色立方體中沿箭頭方向的鐵、釹、鐠和鈷的成分變化分布。
邊界尺度為 ~70 nm × ~70 nm × ~190 nm

補充材料圖2：用于進行模擬的微磁學模型。

(a) 釹鐵硼三明治模型（主相晶粒1—10 nm寬的晶界—主相晶粒2）的示意圖，尺寸為 100 nm × 100 nm × 100 nm；
(b) 基于三維原子探針的不均勻晶界的成分變化示意圖（x-z 平面），尺寸為100 nm × 100 nm。

圖5：根據三維原子探針結果進行的微磁學模擬實驗。發現這種成分不均勻的晶粒邊界（粉色曲線）附近產生反向磁疇所需要的形核場比含有同等鐵磁性元素含量的均勻的晶粒邊界（藍色曲線）產生反向磁疇所需要的形核場小27%。

(a) 基于釹鐵硼三明治模型（主相晶粒1—10 nm寬的晶界—主相晶粒2）的微磁學模擬的退磁曲線，綠色、藍色、粉色和黃色曲線分別代表晶界鐵磁性元素成分為0、40 at.%、38.7 at.%（不均勻）和67 at%；
(b) 在退磁情況下，晶界鐵磁性元素成分為0的三明治模型的磁矩翻轉情況（愿意從邊界開始形成反向磁疇）；
(c) 在退磁情況下，晶界鐵磁性元素成分為67 at%的三明治模型的磁矩翻轉情況（愿意從晶界和主相晶粒的交界面開始形成反向磁疇）。
(d) 在退磁情況下，晶界鐵磁性元素成分為38.7 at.%（不均勻）的三明治模型的磁矩翻轉情況（愿意從鐵磁性元素含量較高的晶界區域和主相晶粒的交界面開始形成反向磁疇）。

圖6：對均勻晶界和不均勻晶界模擬的磁化強度、交換場、磁晶各向異性場、退磁場。發現在退磁過程中，反向磁疇更容易從低磁晶各向異性場、高交換場和高退磁場的區域產生。

(a) 晶界為40 at.% Fe（均勻）的三明治模型模擬的磁化強度、交換場、磁晶各向異性場、退磁場；
磁化強度、交換場、磁晶各向異性場、退磁場的范圍分別是1.17 × 10⁶, 2.29 × 10⁴, 5.51 × 10⁶和 3.35 × 10⁵ A/m
(b) 晶界為38.7 at.%（不均勻）的三明治模型模擬的磁化強度、交換場、磁晶各向異性場、退磁場。
磁化強度、交換場、磁晶各向異性場、退磁場的范圍分別是1.31 × 10⁶, 2.15 × 10⁴, 5.51 × 10⁶和 1.59 × 10⁶ A/m

【小結】
本文使用三維原子探針技術定量化研究了元素沿晶界和穿過晶界的成分變化。基于實驗數據擬合了不同成分的晶界的飽和磁化強度、磁晶各向異性常數和交換常數，并定量化分析了晶界納米尺度下的成分變化對矯頑力的影響。

【文獻鏈接】
Coercivity degradation caused by inhomogeneous grain boundaries in sintered Nd-Fe-B permanent magnets, Physical Review Materials 2018;2:054404.
(DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.2.054404)

本文由第一作者陳翰笙投稿。

材料人專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

PS：材料人重磅推出材料計算解決方案，組建了一支來自全國知名高校老師及企業工程師的科技顧問團隊，專注于為大家解決各類計算模擬需求。如果您有需求，歡迎掃以下二維碼提交您的需求。或點擊鏈接提交，或直接聯系微信客服（微信號：cailiaoren001）