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材料与环境工程学院赵利忠团队在稀土永磁领域获重要突破
作者:王道明 编辑:雷 来源:材料与环境工程学院 时间:2022-05-20 点击量:589

近日,材环学院赵利忠团队以杭电为第一单位在国际顶级学术期刊Advanced Materials发表题为Intrinsically High Magnetic Performance in Core-shell Structural (Sm, Y)Fe12-based Permanent Magnets的学术论文,影响因子为30.849。其中稀土永磁团队负责人赵利忠研究员为论文第一作者,张雪峰教授为通讯作者,钢铁研究总院李卫院士为共同通讯作者。澳门太阳集团2007773官网苏锐博士、研究生文林、刘孝莲博士、张振华博士、赵荣志博士,南昌航空大学李伟博士,合肥强磁场实验室韩玉岩副研究员参与此项工作。

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新能源汽车、风力发电和工业机器人等新兴产业的快速发展对高功率永磁电机提出了急迫的需求,而高温内禀磁性能强且低成本的ThMn12新型永磁有望成为高功率永磁电机的首选材料。然而,由于ThMn12型SmFe12相的亚稳特性,需加入大量非磁性元素以稳定ThMn12相,但随着稳定元素加入ThMn12相的饱和磁化强度μ0Ms急剧下降。因此,同时保持高的相稳定性和磁性能是目前ThMn12新型永磁产业化面临的一大难点。近期研究发现稀土位Y元素的替代可以提升相稳定性从而大幅增强ThMn12相的μ0Ms,但由于Y元素不具备4f电子也急剧降低了ThMn12相的各向异性场μ0Ha。

赵利忠团队突破性提出了一种利用调幅分解在(Sm, Y)Fe12基磁体中自发构建核壳结构的方法,实现了ThMn12磁体相稳定性和内禀磁性能的同步提升,从而突破了以上难点。研究表明,通过Y、Co和Ti元素的协同优化以及核壳结构的构筑,获得了μ0Ha为9.24 T和μ0Ms为1.52 T的高性能磁体。同时磁体中较低的软磁α-Fe含量也预示该磁体具有较好的产业化前景,适合规模化生产。作者团队结合洛伦兹、球差校正透射电镜等表征手段和模拟计算,阐明了Y、Co和Ti元素添加对磁体相稳定性和内禀磁性能的影响机制、核壳结构形成机理及其与高磁性能之间内在联系,为高性能永磁体的设计和制备提供了一种重要策略。

通过第一性原理计算(图1)发现在(Sm1−nYn)(Fe12−m−lComTil)体系中,Y和Co元素的替代可大幅降低体系的形成能。其中,当Y添加量为n=0.25时,系统的混合焓ΔHmix最大预示具有最强的调幅分解驱动力。此外,通过大量前期研究确定Co的最优替代量为Fe元素的20%,因此m确定为2.4-0.2l。因此,DFT结果显示在Sm0.75Y0.25(Fe0.8Co0.2)12-lTil体系中μ0Ms随着Ti含量降低快速提升,但Y元素的引入大幅降低了ThMn12相的μ0Ha并随着Ti含量降低略有恢复,当Ti含量l=0.65时体系的相稳定性可与稳定的SmFe11Ti相持平。

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图1  (a)ThMn12型SmFe12相的晶胞示意图,(b)Y、Co和Ti在SmFe12相中不同晶位的取代能,(c) (Sm1−nYn)Fe12、Sm(Fe12−mCom) 和Sm(Fe12 −lTil)体系的形成能,(d) (Sm1-nYn)(Fe0.8Co0.2)11Ti (n=0-1.0)体系随Y元素变化的混合焓,(e) Sm0.75Y0.25(Fe0.8Co0.2)12-lTil (l = 0.5, 0.75, 1.0)和SmFe11Ti体系的形成能、饱和磁化强度与各向异性常数

为验证计算结果,制备了成分为Sm0.75Y0.25(Fe0.8Co0.2)12-lTil (l=0.5-1.0)合金并进行了1100℃、48h的热处理以获得ThMn12相。其中l=0.5合金出现了大量的TbCu7相,当l ≥ 0.625合金获得了稳定的ThMn12相并析出了少量的α-Fe相,而且当l ≥ 0.65时合金出现了明显的调幅分解,其中l = 0.75和0.875合金获得较好的核壳结构,这一结果很好验证了成分设计的可靠性。进一步研究Sm0.75Y0.25(Fe0.8Co0.2)11.25Ti0.75合金的核壳结构,通过图2能谱面扫结果可见Sm元素富集于壳内而Y元素在核内富集,而Fe、Co和Ti元素分布均匀。为研究其形成过程,对铸造合金进行了不同时间的热处理,发现0h并未发生成分起伏,12h后初步出现成分起伏,24h开始形成核壳结构此后核壳结构慢慢长大,完全符合调幅分解的过程。

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图2  (a)1100℃、48h热处理的Sm0.75Y0.25(Fe0.8Co0.2)11.25Ti0.75合金的背散射电镜及其能谱面扫图,(b)不同时间热处理的背散射电镜图,(c)ThMn12相中Sm和Y元素能谱线扫图

研究对Sm0.75Y0.25(Fe0.8Co0.2)12-lTil (l=0.5-1.0)合金进行了磁性能测试,结果如图3所示。与理论预测相似,随Ti元素降低合金的μ0Ms线性增加,其中l = 0.625合金的μ0Ms达到了1.52 T,居里温度的变化趋势与μ0Ms类似。而μ0Ha先随着Ti含量降低大幅提升,在l = 0.75时达到了最大的9.24 T,比理论值高1.0 T,然后随着Ti含量降低缓慢降低,这一反常的变化与理论值出现了偏离,而这一正向偏离正是由核壳结构的形成引起的。

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图3  (a)Sm0.75Y0.25(Fe0.8Co0.2)12-lTil (l=0.5-1.0)合金随Ti含量变化的μ0Ms和μ0Ha理论计算值和实验值,(b)随Ti含量变化的M-T曲线

为验证核壳结构对磁性能的影响,通过FIB沿核壳结构界面切取了一个样品。如图4所示,样品从左到右为壳到核,其Sm/RE%含量从80%降低到70%,用DFT计算发现其各向异性常数也逐渐降低。通过原位加场洛伦兹TEM电镜表征可以发现处于各向异性场较弱的核内反磁化畴优先移动并快速长大,直接证明富Sm外壳对磁畴的钉扎作用,而这一作用有利于磁体矫顽力的提升。

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图4  (a) Sm0.75Y0.25(Fe0.8Co0.2)11.25Ti0.75合金核壳结构界面的TEM图,(b)从壳到核Sm/RE%、Y/RE%和各向异性常数的变化,(c)磁畴结构随外加磁场的变化

为进一步验证核壳结构对大块磁体矫顽力的影响,图5采用了微磁学模拟建立了平均成分为Sm0.75Y0.25(Fe0.8Co0.2)11.25Ti0.75有和无核壳结构的两个模型,从模拟的退磁曲线可以看出存在核壳结构的磁体矫顽力提升了410 kA/m(11.2%),观察其退磁过程,发现磁畴优先在核内形核,但被核壳结构界面钉扎,这一界面的钉扎作用是矫顽力提升的关键。

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图5  (a)Sm0.75Y0.25(Fe0.8Co0.2)11.25Ti0.75无(a)和(b)有核壳结构的模型图,(c)模拟的退磁曲线图,(d)无核壳结构模型反磁化畴的形核图,有核壳机构模型反磁化的形核(e)与(f)长大图

 


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