Nature子刊：一种高热稳定性的天然复合铁磁材料

【引言】

随着航空航天、精密仪器仪表、信息通信等高科技产业的发展，如何制备高性能的铁磁材料成为人们关注的热点。所有的铁磁材料，随着温度的升高，由于磁有序被破坏，其与磁有关的性能比如磁化强度和磁致伸缩率，会出现不同程度的恶化。高性能的热稳定铁磁材料在航空航天、军事等领域有重要应用，但是现在无论是单相铁磁材料（通常居里温度较低）还是多相铁磁材料（通常居里温度较高，但其他磁性能较低）都难担此重任，这也限制了铁磁材料的应用，所以研制高性能的热稳定铁磁材料是厄待解决的问题。

【成果简介】

近日，来自浙江大学马天宇副教授（通讯作者）和日本国立材料研究所任晓兵教授（通讯作者）等人研究发现陈化后的Fe₇₃Ga₂₇合金具有很高的热稳定性，而且其磁化强度和磁致伸缩率在很宽的温度范围保持较高的水平，该材料有望促进铁磁材料在高温领域的应用。

他们将固溶处理后的Fe₇₃Ga₂₇合金，在803K的温度下热处理12h，所得到的材料不仅具有较高的磁化强度和磁致伸缩率，而且还表现出很高的热稳定性，其在到临近居里温度（T_C=880K）很宽的温度范围内，磁化强度和磁致伸缩率降幅很小。之后，他们用X射线衍射技术和电子衍射技术对该材料进行了测试分析，揭示了其高热温度性存在的机理，原来随着温度的升高，该材料中发生了bcc相向L1₂相转变，由于L1₂相的磁化强度要比bcc相的磁化强度高，所以其弥补了由于温度升高所引起的材料磁性能的降低。

他们的工作不仅发现了一种极具应用前景的高性能的热稳定铁磁材料，而且揭示了其热稳定性存在的机理，为设计和开发新的高性能的热稳定铁磁材料打下了基础。

【图文导读】

图1 磁化强度与温度的关系

（a）固溶处理后的Fe₇₃Ga₂₇合金、陈化处理后的Fe₇₃Ga₂₇合金、合金-D（Tb₃Dy_0.7Fe₂）、Nd-Fe-B商业磁性材料和Fe-Co-V商业磁性材料的磁化强度与温度曲线。

（b）另一种重要的参考物质的磁化强度与温度曲线，Fe₇₄Ga₂₆合金的热处理工艺与Fe₇₃Ga₂₇合金的热处理工艺相同。缩写S.T.代表固溶处理，缩写F代表铁磁性，缩写P代表顺磁性。

（c）相对磁化强度与相对温度函数关系曲线，相关数据来源与图a。

（d）金属Fe、Co、Ni的标准磁化强度与温度的曲线（分散的符号）和运用布里渊函数（J=0.5）的计算结果（黑线，根据参考7重画）。

图2 磁致伸缩及其热稳定性

（a） 固溶处理后的Fe₇₃Ga₂₇合金和陈化处理后的Fe₇₃Ga₂₇合金磁致伸缩率与外磁场强度关系曲线，黑线代表只固溶处理的Fe₇₃Ga₂₇合金，红线代表固溶及陈化处理的Fe₇₃Ga₂₇合金。

（b）陈化合金和合金-D磁致伸缩率与温度关系曲线，红色符号代表陈化合金，绿色符号代表合金-D，b中的插图是陈化后的合金在低磁场下等温磁化强度回线。

图3 固溶处理后的Fe₇₃Ga₂₇合金的结构表征

（a）由超晶格点阵（11）面作为反射面所得到的暗场相，插图是相应的选区电子衍射花样图（电子入射沿着 [111] 晶带轴方向）。

（b）制得的样品未经过其它处理的XRD衍射图谱（黑色曲线）和其在723K温度下热处理0.5h后淬火得到的样品的XRD衍射图谱（蓝色曲线）。主要衍射峰的指标化是以DO₃（空间群为Fm3m）作为参考（缩写为bcc），其它峰属于L1₂相（缩写为fcc）。

（c）DO₃结构和L1₂结构的贝恩关系，比例尺为50nm。

图4 陈化Fe₇₃Ga₂₇合金的平均相结构演变

（a）变温原位步扫XRD衍射图谱，衍射角2θ范围是41-46度，{111}衍射峰代表L1₂相而{220}衍射峰代表DO₃相，箭头表示峰位随温度的变化。

（b）L1₂相含量随温度的变化关系曲线和两相晶格参数随温度的变化关系曲线。

图5室温下陈化Fe₇₃Ga₂₇合金的微观结构

（a）沿着[110]_fcc晶带轴入射的选区电子衍射图，表明样品的基相为L1₂相而第二相为bcc相。

（b）L1₂相（黑）和DO₃相（蓝）位向关系。

（c）电子沿着 [001]_fcc 方向入射所得到的明场相。

（d）以超晶格点阵（00）_fcc作为反射面所得到的暗场相，显示的是a图中红色箭头所指的区域，图c和d的比例尺都是200nm。

图6陈化Fe₇₃Ga₂₇合金的微观结构演变

原位透射电镜表征（a ,b）测试温度298K（c ,d）测试温度473K（e ,f）测试温度573K（g,f）测试温度673K。所有明场相都是通过倾斜晶粒1（红色虚线框区域）来获得的，电子入射方向为 [112]_fcc 晶带轴方向，图b是298K温度下选区电子衍射图样。

(d, f, h) 是图 (c,e,g) 红色虚线框的放大，其中晶粒2转化区域（fcc）和未转化区域（bcc）界面用白色虚线表示，其显示随着温度的升高，fcc相含量在上升。比例尺，500nm（a，c，e, g）, 100nm (d,  f,  h) 。

【小结】

固溶处理后的Fe₇₃Ga₂₇合金，在803K的温度下热处理12h，所制得的铁磁材料，磁化强度和磁致伸缩率都较高，具有很高的热稳定性，其是一种颇具应用前景的高温铁磁材料，可以大大拓展铁磁应用。其具有高热稳定性机理为随着温度升高，材料中一种磁化强度较低相转化为另一种磁化强度较高的相，该理论为设计和开发新的高温铁磁材料打下基础。

文献链接：Highly thermal-stable ferromagnetism by a natural composite（Nat. Commun.  , 2017, DOI:10.1038/ncomms13937）

本文由材料人电子电工学术组yuyu88供稿，材料牛整理编辑。

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