8 月 10 日，據(jù)燕山大學消息，燕山大學亞穩(wěn)材料制備技術與科學國家重點實驗室極端變形研究中心張湘義教授團隊與國內(nèi)研究團隊合作，提出了一種多級納米結(jié)構（HNS）的策略，成功破解了永磁材料中多種內(nèi)在的性能沖突，實驗發(fā)現(xiàn)了多功能鐵磁體。合成的 HNS 鐵磁體的性能優(yōu)于當代高溫永磁體。其電阻率增加了 50%至 138%，并獲得了最高的能量密度；另外，其矯頑力熱穩(wěn)定性優(yōu)于現(xiàn)有的稀土永磁材料。研究成果以“多級納米結(jié)構多功能鐵磁體的快速制備”為題（Fast fabrication of a hierarchical nanostructured multifunctional ferromagnet），于 2024 年 8 月 8 日發(fā)表于 Science 期刊[Science Vol. 385, No. 6709]。

　　據(jù)燕山大學介紹，具有多功能特性的新材料對社會發(fā)展將產(chǎn)生巨大的影響。在消耗全球 40%以上電力的電機及驅(qū)動器應用中，對多功能材料的需求尤為迫切。鐵磁材料是實現(xiàn)上述應用的關鍵材料。然而，在鐵磁材料中，高的飽和磁化強度和大的矯頑力之間、高能量密度與高電阻率和高熱穩(wěn)定性之間通常是相互排斥的。提高一種性能，往往以犧牲其它關鍵性能為代價。這些基本物理性能之間的倒置關系，使鐵磁材料難以獲得多功能特性。這種內(nèi)在的多重性能沖突（trade-offs），限制了新一代多功能材料的發(fā)現(xiàn)。

　　研究團隊提出了一種 HNS 設計策略。團隊采用簡單的二元 PrCo5 合金為模型材料，通過制造豐富、有序的 HNS，協(xié)同操縱了具有內(nèi)在矛盾的能量密度、電阻率和磁熱穩(wěn)定性，破解了鐵磁體中內(nèi)在的多種性能沖突。采用該策略制備的 HNS 永磁體同時具有高的能量密度、大的電阻率和高的矯頑力熱穩(wěn)定性，優(yōu)于現(xiàn)有的高溫鐵磁體。除了控制材料的電子輸運和疇壁移動，該 HNS 策略還可用來控制聲子傳輸和光傳播以及反應物的傳輸，發(fā)展下一代多功能材料。

　　與傳統(tǒng)的復雜合金設計理念不同，該 HNS 策略可用于簡單的二元合金，無需添加其它合金元素。因此，節(jié)約資源，簡化了材料的制造過程，尤其是避免了添加合金元素帶來的關鍵性能的惡化。為了獲得理想的多級納米有序結(jié)構，研究團隊創(chuàng)建了具有鮮明特色的、基于焦耳熱加熱的高壓強約束熱變形技術。該技術能夠在幾秒鐘內(nèi)快速合成完全致密的塊體材料，并實現(xiàn)納米尺度和原子尺度結(jié)構的可控構筑和結(jié)構特性的有效控制。

　　該項研究結(jié)果表明，HNS 策略能有效解決多功能材料合成中面臨的巨大挑戰(zhàn)。建立的高壓強約束熱變形技術為合成具有納米尺度結(jié)構特征的塊體材料提供了一個快速制造平臺，對下一代多功能材料的發(fā)展和應用具有重要意義。該技術也可用于發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)制備技術無法獲得的各種亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構和亞穩(wěn)相材料。

　　該工作得到國家自然科學基金(51931007，U22A20116，52071279，52271236)和國家重點研發(fā)計劃(2022YFB3505600)等項目的資助。相關技術發(fā)明獲中國、美國和日本發(fā)明專利授權。燕山大學化迎新博士和李曉紅教授為該論文的共同第一作者。