澳大利亞悉尼大學鄭榮坤&北京工業大學岳Acta Materialia：吸引型釘扎釤鈷（Sm-Co）永磁鐵打破傳統矯頑力-剩磁權衡理論

【引言】

當前，稀土永磁王釹鐵硼（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。然而由于其過低的居里溫度，Nd-Fe-B很難在高溫環境中保持較高的磁性性能。第二代釤鈷（Sm-Co）稀土永磁由于其較高的居里溫度已經在高溫環境諸如航天通訊，航空，國防中發揮其獨特的作用。然而類似傳統金屬結構材料中所存在的強度-韌性權衡理論（Strength-ductility trade-off），在（高溫）稀土永磁中也存在著矯頑力-剩磁權衡理論（Coercivity-remanence trade-off），換言之無法同時在永磁體中提高矯頑力和剩磁，這就會導致無法進一步提高永磁鐵的磁能積。因此尋找新的稀土永磁的材料設計與加工工藝迫在眉睫。

釤鈷（Sm-Co）稀土永磁體由富鐵的2:17R胞狀相、富銅的1:5胞壁相、和富Zr相組成。傳統上認為其矯頑力由2:17R胞狀相與1:5胞壁相之間的疇壁能的梯度所決定。傳統上認為2:17R胞狀相的疇壁能小于1:5胞壁相的疇壁能，這稱之為排斥型釘扎。而最近一些研究表明了吸引型釘扎的存在可能，即2:17R胞狀相的疇壁能大于1:5胞壁相的疇壁能。所以可能通過調控1:5胞壁相的銅含量來調節其疇壁能，從而實現由排斥型釘扎到吸引型釘扎的轉變。

【成果簡介】

今日，來自澳大利亞悉尼大學的鄭榮坤副教授和北京工業大學的岳明教授（共同通訊）聯合在Acta Materialia上發文，題為“Attractive-domain-wall-pinning controlled Sm-Co magnets overcome the coercivity-remanence trade-off”。作者通過使用添加熔煉Cu粉末的方法成功制備出矯頑力為26.9 kOe，剩磁為11.2 kG，和磁能積為26.6 MGOe。通常的Sm-Co永磁體都是排斥型釘扎理論控制的，而本工作首次通過調控Sm-Co永磁體中各組成相的成分和磁疇疇壁能的大小實現了吸引型釘扎機制。通過使用三維原子探針技術以及微磁學模擬，作者證實了矯頑力的大幅度提高而且剩磁和矯頑力基本不變正是由于增大的吸引性釘扎強度和成相的完整性所導致的。該工作不僅打破了傳統的矯頑力-剩磁權衡理論，同時為制備新型稀土釤鈷永磁提出了一個新的途徑。共同第一作者為澳大利亞悉尼大學的陳翰笙博士生和北京工業大學的王云嶠博士生。

【圖文導讀】

圖1.?原始Sm-Co永磁體和Cu粉末摻雜后的Sm-Co永磁體的磁化曲線。

表1.?原始Sm-Co永磁體和Cu粉末摻雜后的Sm-Co永磁體的具體磁性能參數值。

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圖2.?原始Sm-Co永磁體和Cu粉末摻雜后的Sm-Co永磁體的顯微結構和元素分布（微米尺度）。圖a,?c, e, g, i, k, m, o, q分別為原始Sm-Co永磁體二次電子掃描圖、背散射電子掃描圖、晶粒取向圖、釤的元素分布、鈷的元素分布、鐵的元素分布、鋯的元素分布、氧的元素分布以及銅的元素分布。圖b,?d, f, h, j, l, n, p, r分別為Cu粉末摻雜后的Sm-Co永磁體二次電子掃描圖、背散射電子掃描圖、晶粒取向圖、釤的元素分布、鈷的元素分布、鐵的元素分布、鋯的元素分布、氧的元素分布以及銅的元素分布。比例尺均為50微米。

表2.?使用SEM-EDS探測出的原始Sm-Co永磁體和Cu粉末摻雜后的Sm-Co永磁體的主相晶粒（包括2:17R胞狀相、1:5胞壁相以及富鋯相）的元素成分。

圖3.?（a）原始Sm-Co永磁體和（b）Cu粉末摻雜后的Sm-Co永磁體的明場透射電子圖像。比例尺均為100納米。

圖4.?（a-c）原始Sm-Co永磁體和（d-f）Cu粉末摻雜后的Sm-Co永磁體的三維原子探針重構圖像。原始Sm-Co永磁體的邊框范圍是319 nm × 71 nm × 71 nm，Cu粉末摻雜后的Sm-Co永磁體的邊框范圍是301 nm × 68 nm × 68 nm。圖g為原始Sm-Co永磁體和Cu粉末摻雜后的Sm-Co永磁體的1:5胞壁相中Cu含量最大值的比例分布（每個樣品取樣了20個不同的區域）。

圖5.原始Sm-Co永磁體和Cu粉末摻雜后的Sm-Co永磁體的微磁學模擬結果。

表3.?原始Sm-Co永磁體和Cu粉末摻雜后的Sm-Co永磁體中各組成相的磁性性能參數以及釘扎類型。

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圖6.原始Sm-Co永磁體和Cu粉末摻雜后的Sm-Co永磁體的顯微結構演化示意圖。左面和中間的比例尺為5微米。右面的比例尺為100納米。

【總結】

本文作者制備出高矯頑力高磁能積的釤鈷永磁體。通過使用多種先進顯微表征技術以及微磁學模擬發現了（1）通過Cu粉末摻雜技術，我們可以得到吸引型釘扎而不是排斥型釘扎控制的釤鈷永磁體；（2）高矯頑力來自于Cu粉末摻雜釤鈷永磁體中的完整的1:5胞壁相和增大的釘扎能；（3）高磁能積來自于Cu粉末摻雜釤鈷永磁體中的可以穩定形成的1:5胞壁相和2:17R胞狀相。

文獻鏈接：Attractive-domain-wall-pinning controlled Sm-Co magnets overcome the coercivity-remanence trade-off, (Acta Materialia, 2019, DOI: 10.1016/j.actamat.2018.10.046)

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