在國家自然科學(xué)基金項目（批準(zhǔn)號：51931007、U22A20116、52071279和52271236）等資助下，燕山大學(xué)張湘義教授團(tuán)隊與北京航空航天大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、香港城市大學(xué)和中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所等研究團(tuán)隊合作，在多功能鐵磁材料研究方面取得突破性進(jìn)展，實驗發(fā)現(xiàn)了多功能鐵磁體。相關(guān)成果以“一種多級納米結(jié)構(gòu)多功能鐵磁體的快速制備 (Fast fabrication of a hierarchical nanostructured multifunctional ferromagnet )”為題，于2024年8月8日發(fā)表在《科學(xué)》(Science)期刊上。論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp2328。

高性能永磁材料是電能和機(jī)械能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵材料，因而成為電機(jī)的核心材料。當(dāng)前，電機(jī)消耗了全球約40%的電力，其能量效率只需提高1%都將對解決全球能源、環(huán)境和生態(tài)問題產(chǎn)生重要的影響。為此，要求永磁材料具有盡可能高的能量密度（以提高能量轉(zhuǎn)換效率）、高的電阻率（減少渦流損耗）和高的熱穩(wěn)定性來提高器件的可靠性。但是，這些功能特性通常相互矛盾，如同魚和熊掌不可兼得。例如，高性能鐵磁體都是優(yōu)良的導(dǎo)體，通常具有低的電阻率。因此，鐵磁體的高能量密度與高電阻率在本質(zhì)上是互斥的，不可同時獲得。另外，永磁材料在磁化態(tài)下處于亞穩(wěn)態(tài)。為了提高它的磁熱穩(wěn)定性人們通常采用復(fù)雜的合金化途徑，通過添加大量的非磁性元素或昂貴的重稀土金屬來抑制其磁化反轉(zhuǎn)過程。這不可避免地降低材料的飽和磁化強(qiáng)度，導(dǎo)致低的能量密度。因此，對于永磁材料而言，同時獲得高能量密度、高電阻率和高熱穩(wěn)定性被人們長期認(rèn)為是一件不可能的事。它一直是鐵磁材料領(lǐng)域的一個巨大的科學(xué)和技術(shù)挑戰(zhàn)。

針對這一挑戰(zhàn)性難題，該項研究變革傳統(tǒng)的復(fù)雜合金化設(shè)計思路，巧妙地采用多級納米結(jié)構(gòu)（HNS）的設(shè)計策略，在簡單二元PrCo5合金中引入高密度的界面（晶界和層錯）和局域原子有序變化，激活了多種微觀機(jī)制來同時阻止疇壁移動和電子輸運，成功破解了永磁材料中長期存在的、多個內(nèi)在的性能沖突（trade-offs），實驗發(fā)現(xiàn)了多功能永磁體。該磁體具有高的能量密度、高的電阻率和高的矯頑力熱穩(wěn)定性，優(yōu)于當(dāng)代*先進(jìn)的高溫永磁體；其矯頑力熱穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的商業(yè)稀土永磁材料。該HNS設(shè)計理念具有普適性，適用于其他結(jié)構(gòu)和功能材料。研究結(jié)果為下一代多功能材料的發(fā)展提供了全新的理念和方向。

為了獲得理想的HNS有序結(jié)構(gòu)，研究團(tuán)隊創(chuàng)建了具有特色的高壓強(qiáng)約束熱變形技術(shù)。該技術(shù)能快速（秒級時間）制備完全致密的塊體納米材料，并實現(xiàn)納米尺度和原子尺度結(jié)構(gòu)的可控構(gòu)筑，為塊體多級納米材料的可控制備提供了一個通用平臺。這對下一代多功能材料的發(fā)展具有重要的意義。另外，該技術(shù)也可用于發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)制備技術(shù)無法獲得的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)和亞穩(wěn)相，促進(jìn)先進(jìn)亞穩(wěn)材料的發(fā)展。