前沿院马天宇教授课题组在磁性材料固态相变领域取得新进展

发布时间：2024-12-19 16:41

磁性材料广泛应用于信息、交通、能源和国防等领域，是国民经济与国防建设的关键材料之一。能向外界提供强磁场的永磁材料在我国新材料产业中居于重要地位，在磁场或应力作用下产生热效应的磁相变材料是发展固态制冷未来技术的关键材料，因此受到世界各国高度重视。由于这两类材料的性能均与制备或服役过程中的固态相变密切相关，认识它们的固态相变行为是获得高性能的理论前提，也是该领域基础研究的重点内容。近期，前沿院马天宇教授课题组在上述两类材料固态相变方面取得了新进展。

现有的高性能永磁材料高度依赖于昂贵稀缺的稀土战略元素，其长期快速发展导致我国稀土资源过快消耗，因此，研发高性能无稀土永磁材料成为该领域基础研究的重要方向。不同于经多道热处理复杂工艺制备的传统Alnico无稀土永磁，近期发展的无稀土铁基高熵合金在铸态已具备强的硬磁性（高矫顽力），且工作温度远高于具有“磁王”之称的钕铁硼稀土永磁，因此有望发展成为新型高性能无稀土永磁材料。然而，目前这种高熵合金产生硬磁性的根源尚属未解之谜。该课题组通过深入研究Fe-Co-Ni-Al-Ti-Cu高熵合金的微结构与磁性能关联性，发现该合金在凝固过程中已发生相分解，形成了图1所示的层级非均质纳米结构，即磁性原子定向聚集，跨越有序相和无序相组成的纳米胞状组织，形成强烈的化学形状各向异性（长轴大于短轴）。课题组通过磁场退火进一步增强了化学形状各向异性，将矫顽力提高了~50%。由此，明确了纳米尺度的化学形状各向异性是这种永磁高熵合金的硬磁性根源，并提供了提高其磁性能的有效途径。相关论文以《Fe-Co-Ni-Al-Ti-Cu高熵合金的硬磁性根源：化学形状各向异性》（Origin of hard magnetism in Fe-Co-Ni-Al-Ti-Cu high-entropy alloy: Chemical shape anisotropy）为题在金属材料领域旗舰刊物《材料学报》（Acta Materialia）在线发表，前沿院博士生陈虹宇和青年教师苟峻铭博士为论文第一作者，马天宇教授为论文通讯作者。

图1 层级非均质纳米结构Fe-Co-Ni-Al-Cu-Ti高熵合金的化学各向异性与硬磁性

磁相变材料的马氏体相变可产生丰富的功能特性，例如Ni-Mn基Heusler铁弹合金的原子周期性调制马氏体相变可产生巨磁热和巨弹热效应等。然而，国际上关于调制马氏体的形成机制却长期存在争议：一种观点认为调制马氏体是由四方度固定的结构单元自适应组装而成，另一种观点则认为立方奥氏体的原子密排面按特定调制波移动（shuffle）形成调制马氏体。由于马氏体相变为纯位移型固态相变，动力学极快，原子重组过程难以揭示。针对上述争议，该课题组选择具有巨弹热效应的Ni-Mn-Ti合金，结合原位变温TEM和高分辨TEM进行了研究，发现立方奥氏体先经6O（6层调制正交相）中间相再转变成4O（4层调制正交相）马氏体，且伴随层错的逐渐形成与分解。进一步的结构分析表明，若根据第一种机制来选择6O和4O相中的结构单元，二者的四方度有显著差异(图2)。由此可见，至少在Ni-Mn-Ti合金中，调制结构马氏体的形成更符合第二种(密排面shuffle)机制。通过提供原子尺度实验证据，课题组该工作加深了对这类重要功能材料固态相变机制的理解。相关论文以《从原子尺度理解Ni-Mn-Ti铁弹合金的周期调制》（Atomic scale understanding the periodic modulation in ferroelastic alloy Ni-Mn-Ti）为题在《材料学报》（Acta Materialia）在线发表，前沿院博士生刘叠为论文第一作者，刘瑶副教授和马天宇教授为论文通讯作者。