澳大利亚悉尼大学郑荣坤&北京工业大学岳Acta Materialia：吸引型钉扎钐钴（Sm-Co）永磁铁打破传统矫顽力-剩磁权衡理论

【引言】

当前，稀土永磁王钕铁硼（Nd-Fe-B）已经被广泛应用在生活的方方面面，诸如磁悬浮列车、电动汽车、风力发电、音响等。然而由于其过低的居里温度，Nd-Fe-B很难在高温环境中保持较高的磁性性能。第二代钐钴（Sm-Co）稀土永磁由于其较高的居里温度已经在高温环境诸如航天通讯，航空，国防中发挥其独特的作用。然而类似传统金属结构材料中所存在的强度-韧性权衡理论（Strength-ductility trade-off），在（高温）稀土永磁中也存在着矫顽力-剩磁权衡理论（Coercivity-remanence trade-off），换言之无法同时在永磁体中提高矫顽力和剩磁，这就会导致无法进一步提高永磁铁的磁能积。因此寻找新的稀土永磁的材料设计与加工工艺迫在眉睫。

钐钴（Sm-Co）稀土永磁体由富铁的2:17R胞状相、富铜的1:5胞壁相、和富Zr相组成。传统上认为其矫顽力由2:17R胞状相与1:5胞壁相之间的畴壁能的梯度所决定。传统上认为2:17R胞状相的畴壁能小于1:5胞壁相的畴壁能，这称之为排斥型钉扎。而最近一些研究表明了吸引型钉扎的存在可能，即2:17R胞状相的畴壁能大于1:5胞壁相的畴壁能。所以可能通过调控1:5胞壁相的铜含量来调节其畴壁能，从而实现由排斥型钉扎到吸引型钉扎的转变。

【成果简介】

今日，来自澳大利亚悉尼大学的郑荣坤副教授和北京工业大学的岳明教授（共同通讯）联合在Acta Materialia上发文，题为“Attractive-domain-wall-pinning controlled Sm-Co magnets overcome the coercivity-remanence trade-off”。作者通过使用添加熔炼Cu粉末的方法成功制备出矫顽力为26.9 kOe，剩磁为11.2 kG，和磁能积为26.6 MGOe。通常的Sm-Co永磁体都是排斥型钉扎理论控制的，而本工作首次通过调控Sm-Co永磁体中各组成相的成分和磁畴畴壁能的大小实现了吸引型钉扎机制。通过使用三维原子探针技术以及微磁学模拟，作者证实了矫顽力的大幅度提高而且剩磁和矫顽力基本不变正是由于增大的吸引性钉扎强度和成相的完整性所导致的。该工作不仅打破了传统的矫顽力-剩磁权衡理论，同时为制备新型稀土钐钴永磁提出了一个新的途径。共同第一作者为澳大利亚悉尼大学的陈翰笙博士生和北京工业大学的王云峤博士生。

【图文导读】

图1. 原始Sm-Co永磁体和Cu粉末掺杂后的Sm-Co永磁体的磁化曲线。

表1. 原始Sm-Co永磁体和Cu粉末掺杂后的Sm-Co永磁体的具体磁性能参数值。

图2. 原始Sm-Co永磁体和Cu粉末掺杂后的Sm-Co永磁体的显微结构和元素分布（微米尺度）。图a, c, e, g, i, k, m, o, q分别为原始Sm-Co永磁体二次电子扫描图、背散射电子扫描图、晶粒取向图、钐的元素分布、钴的元素分布、铁的元素分布、锆的元素分布、氧的元素分布以及铜的元素分布。图b, d, f, h, j, l, n, p, r分别为Cu粉末掺杂后的Sm-Co永磁体二次电子扫描图、背散射电子扫描图、晶粒取向图、钐的元素分布、钴的元素分布、铁的元素分布、锆的元素分布、氧的元素分布以及铜的元素分布。比例尺均为50微米。

表2. 使用SEM-EDS探测出的原始Sm-Co永磁体和Cu粉末掺杂后的Sm-Co永磁体的主相晶粒（包括2:17R胞状相、1:5胞壁相以及富锆相）的元素成分。

图3. （a）原始Sm-Co永磁体和（b）Cu粉末掺杂后的Sm-Co永磁体的明场透射电子图像。比例尺均为100纳米。

图4. （a-c）原始Sm-Co永磁体和（d-f）Cu粉末掺杂后的Sm-Co永磁体的三维原子探针重构图像。原始Sm-Co永磁体的边框范围是319 nm × 71 nm × 71 nm，Cu粉末掺杂后的Sm-Co永磁体的边框范围是301 nm × 68 nm × 68 nm。图g为原始Sm-Co永磁体和Cu粉末掺杂后的Sm-Co永磁体的1:5胞壁相中Cu含量最大值的比例分布（每个样品取样了20个不同的区域）。

图5.原始Sm-Co永磁体和Cu粉末掺杂后的Sm-Co永磁体的微磁学模拟结果。

表3. 原始Sm-Co永磁体和Cu粉末掺杂后的Sm-Co永磁体中各组成相的磁性性能参数以及钉扎类型。

图6.原始Sm-Co永磁体和Cu粉末掺杂后的Sm-Co永磁体的显微结构演化示意图。左面和中间的比例尺为5微米。右面的比例尺为100纳米。

【总结】

本文作者制备出高矫顽力高磁能积的钐钴永磁体。通过使用多种先进显微表征技术以及微磁学模拟发现了（1）通过Cu粉末掺杂技术，我们可以得到吸引型钉扎而不是排斥型钉扎控制的钐钴永磁体；（2）高矫顽力来自于Cu粉末掺杂钐钴永磁体中的完整的1:5胞壁相和增大的钉扎能；（3）高磁能积来自于Cu粉末掺杂钐钴永磁体中的可以稳定形成的1:5胞壁相和2:17R胞状相。

文献链接：Attractive-domain-wall-pinning controlled Sm-Co magnets overcome the coercivity-remanence trade-off, (Acta Materialia, 2019, DOI: 10.1016/j.actamat.2018.10.046)

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