Science|一種多功能特性新材料的重大突破

燕山大學亞穩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研究團隊合作，提出了一種多級納米結構（HNS）的策略，成功破解了永磁材料中多種內在的性能沖突，實驗發現了多功能鐵磁體。合成的HNS鐵磁體的性能優于當代高溫永磁體。其電阻率增加了50%至138%，并獲得了最高的能量密度；另外，其矯頑力熱穩定性優于現有的稀土永磁材料。研究成果以“多級納米結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日發表于Science期刊[Science Vol. 385, No. 6709]，論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp2328。

具有多功能特性的新材料對社會發展將產生巨大的影響。在消耗全球40%以上電力的電機及驅動器應用中，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。這種內在的多重性能沖突（trade-offs），限制了新一代多功能材料的發現。

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，協同操縱了具有內在矛盾的能量密度、電阻率和磁熱穩定性，破解了鐵磁體中內在的多種性能沖突。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定性，優于現有的高溫鐵磁體。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，發展下一代多功能材料。

與傳統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構，研究團隊創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快速合成完全致密的塊體材料，并實現納米尺度和原子尺度結構的可控構筑和結構特性的有效控制。

多級納米結構(HNS)的設計策略和多功能鐵磁體的示意圖

該項研究結果表明，HNS策略能有效解決多功能材料合成中面臨的巨大挑戰。建立的高壓強約束熱變形技術為合成具有納米尺度結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展和應用具有重要意義。該技術也可用于發現傳統制備技術無法獲得的各種亞穩態結構和亞穩相材料。

該工作得到國家自然科學基金(51931007，U22A20116，52071279，52271236)和國家重點研發計劃(2022YFB3505600)等項目的資助。相關技術發明獲中國、美國和日本發明專利授權。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。