Nature子刊：一種高熱穩定性的天然復合鐵磁材料

【引言】

隨著航空航天、精密儀器儀表、信息通信等高科技產業的發展，如何制備高性能的鐵磁材料成為人們關注的熱點。所有的鐵磁材料，隨著溫度的升高，由于磁有序被破壞，其與磁有關的性能比如磁化強度和磁致伸縮率，會出現不同程度的惡化。高性能的熱穩定鐵磁材料在航空航天、軍事等領域有重要應用，但是現在無論是單相鐵磁材料（通常居里溫度較低）還是多相鐵磁材料（通常居里溫度較高，但其他磁性能較低）都難擔此重任，這也限制了鐵磁材料的應用，所以研制高性能的熱穩定鐵磁材料是厄待解決的問題。

【成果簡介】

近日，來自浙江大學馬天宇副教授（通訊作者）和日本國立材料研究所任曉兵教授（通訊作者）等人研究發現陳化后的Fe₇₃Ga₂₇合金具有很高的熱穩定性，而且其磁化強度和磁致伸縮率在很寬的溫度范圍保持較高的水平，該材料有望促進鐵磁材料在高溫領域的應用。

他們將固溶處理后的Fe₇₃Ga₂₇合金，在803K的溫度下熱處理12h，所得到的材料不僅具有較高的磁化強度和磁致伸縮率，而且還表現出很高的熱穩定性，其在到臨近居里溫度（T_C=880K）很寬的溫度范圍內，磁化強度和磁致伸縮率降幅很小。之后，他們用X射線衍射技術和電子衍射技術對該材料進行了測試分析，揭示了其高熱溫度性存在的機理，原來隨著溫度的升高，該材料中發生了bcc相向L1₂相轉變，由于L1₂相的磁化強度要比bcc相的磁化強度高，所以其彌補了由于溫度升高所引起的材料磁性能的降低。

他們的工作不僅發現了一種極具應用前景的高性能的熱穩定鐵磁材料，而且揭示了其熱穩定性存在的機理，為設計和開發新的高性能的熱穩定鐵磁材料打下了基礎。

【圖文導讀】

圖1 磁化強度與溫度的關系

（a）固溶處理后的Fe₇₃Ga₂₇合金、陳化處理后的Fe₇₃Ga₂₇合金、合金-D（Tb₃Dy_0.7Fe₂）、Nd-Fe-B商業磁性材料和Fe-Co-V商業磁性材料的磁化強度與溫度曲線。

（b）另一種重要的參考物質的磁化強度與溫度曲線，Fe₇₄Ga₂₆合金的熱處理工藝與Fe₇₃Ga₂₇合金的熱處理工藝相同。縮寫S.T.代表固溶處理，縮寫F代表鐵磁性，縮寫P代表順磁性。

（c）相對磁化強度與相對溫度函數關系曲線，相關數據來源與圖a。

（d）金屬Fe、Co、Ni的標準磁化強度與溫度的曲線（分散的符號）和運用布里淵函數（J=0.5）的計算結果（黑線，根據參考7重畫）。

圖2 磁致伸縮及其熱穩定性

（a） 固溶處理后的Fe₇₃Ga₂₇合金和陳化處理后的Fe₇₃Ga₂₇合金磁致伸縮率與外磁場強度關系曲線，黑線代表只固溶處理的Fe₇₃Ga₂₇合金，紅線代表固溶及陳化處理的Fe₇₃Ga₂₇合金。

（b）陳化合金和合金-D磁致伸縮率與溫度關系曲線，紅色符號代表陳化合金，綠色符號代表合金-D，b中的插圖是陳化后的合金在低磁場下等溫磁化強度回線。

圖3 固溶處理后的Fe₇₃Ga₂₇合金的結構表征

（a）由超晶格點陣（11）面作為反射面所得到的暗場相，插圖是相應的選區電子衍射花樣圖（電子入射沿著 [111] 晶帶軸方向）。

（b）制得的樣品未經過其它處理的XRD衍射圖譜（黑色曲線）和其在723K溫度下熱處理0.5h后淬火得到的樣品的XRD衍射圖譜（藍色曲線）。主要衍射峰的指標化是以DO₃（空間群為Fm3m）作為參考（縮寫為bcc），其它峰屬于L1₂相（縮寫為fcc）。

（c）DO₃結構和L1₂結構的貝恩關系，比例尺為50nm。

圖4 陳化Fe₇₃Ga₂₇合金的平均相結構演變

（a）變溫原位步掃XRD衍射圖譜，衍射角2θ范圍是41-46度，{111}衍射峰代表L1₂相而{220}衍射峰代表DO₃相，箭頭表示峰位隨溫度的變化。

（b）L1₂相含量隨溫度的變化關系曲線和兩相晶格參數隨溫度的變化關系曲線。

圖5室溫下陳化Fe₇₃Ga₂₇合金的微觀結構

（a）沿著[110]_fcc晶帶軸入射的選區電子衍射圖，表明樣品的基相為L1₂相而第二相為bcc相。

（b）L1₂相（黑）和DO₃相（藍）位向關系。

（c）電子沿著 [001]_fcc 方向入射所得到的明場相。

（d）以超晶格點陣（00）_fcc作為反射面所得到的暗場相，顯示的是a圖中紅色箭頭所指的區域，圖c和d的比例尺都是200nm。

圖6陳化Fe₇₃Ga₂₇合金的微觀結構演變

原位透射電鏡表征（a ,b）測試溫度298K（c ,d）測試溫度473K（e ,f）測試溫度573K（g,f）測試溫度673K。所有明場相都是通過傾斜晶粒1（紅色虛線框區域）來獲得的，電子入射方向為 [112]_fcc 晶帶軸方向，圖b是298K溫度下選區電子衍射圖樣。

(d, f, h) 是圖 (c,e,g) 紅色虛線框的放大，其中晶粒2轉化區域（fcc）和未轉化區域（bcc）界面用白色虛線表示，其顯示隨著溫度的升高，fcc相含量在上升。比例尺，500nm（a，c，e, g）, 100nm (d,? f,? h) 。

【小結】

固溶處理后的Fe₇₃Ga₂₇合金，在803K的溫度下熱處理12h，所制得的鐵磁材料，磁化強度和磁致伸縮率都較高，具有很高的熱穩定性，其是一種頗具應用前景的高溫鐵磁材料，可以大大拓展鐵磁應用。其具有高熱穩定性機理為隨著溫度升高，材料中一種磁化強度較低相轉化為另一種磁化強度較高的相，該理論為設計和開發新的高溫鐵磁材料打下基礎。

文獻鏈接：Highly thermal-stable ferromagnetism by a natural composite（Nat. Commun.? , 2017, DOI:10.1038/ncomms13937）

本文由材料人電子電工學術組yuyu88供稿，材料牛整理編輯。

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