自2012年起，上海大學(xué)杜娟教授研究稀土磁性材料已有10年之久。她把科研中的困難，比作是前行路上的大霧。但唯有堅持，才有希望迎來云開霧散。

前不久，她和團(tuán)隊的一篇新論文發(fā)表在Journal of Materials Science&Technology（IF10.3）上。研究中，他們造出一種新型納米晶稀土永磁材料，它基于SmCo/FeCo多硬相的軟硬納米復(fù)合稀土，其磁能積是各向同性SmCo5的三倍之多。

他們基于釤鈷永磁合金（Sm-Co）硬磁相、以及鐵鈷合金（FeCo）軟磁相的耦合，提高了稀土永磁體的磁能積，解決了軟硬磁相的晶粒尺寸調(diào)控、以及軟硬磁相的均勻分布以及相含量的問題。

相關(guān)論文的題目為《奔向超強(qiáng)磁體的具有高軟相含量和高磁能積的各向同性納米復(fù)合粉末》（Highmagneticenergyproductinisotropicnanocompositepowderswithhighpercentofsoftphasetowardsultrastrongmagnets）。全偉、馬龍飛、樊金奎是共同一作，杜娟教授和同校的鄭強(qiáng)教授擔(dān)任共同通訊作者[1]。

新型永磁材料：可被廣泛用于高速電機(jī)等領(lǐng)域

永磁材料，是一類經(jīng)過充磁以后能對外提供*磁場的材料。其中，稀土永磁具有優(yōu)良的永磁性能，已被廣泛用于航空航天、計算機(jī)、石油開采、交通、機(jī)械、醫(yī)療、通訊、國防等高科技領(lǐng)域。

剩余磁化強(qiáng)度（即剩磁，符號為Br），是衡量永磁體磁場大小的重要參數(shù)之一；內(nèi)稟矯頑力（intrinsiccoercivity，Hcj），則是磁體抵抗熱退磁能力大小的重要指標(biāo)。

對于稀土永磁材料的性能來說，高Br和高Hcj是其向前發(fā)展的主要方向；從實(shí)用角度來說，低成本、高性能則是其必須實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

五鈷化釤（SmCo5）合金，具備較高的磁晶各向異性場、以及較高的居里溫度，故其擁有較高的溫度穩(wěn)定性，因而在高溫領(lǐng)域、高速電機(jī)等領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。

然而，SmCo5合金的剩磁較低，磁能積只有釹鐵硼（NdFeB）的一半。一直以來，提高SmCo5磁體的剩磁和磁能積，始終是稀土永磁領(lǐng)域的重要課題。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，單相SmCo5磁體的剩磁和磁能積已經(jīng)接近理論值，因此亟需發(fā)展可以進(jìn)一步提高其性能的新方法。

簡單來說，憑借軟硬磁性相在納米尺寸上的復(fù)合能力，再綜合硬磁相的高矯頑力、以及軟磁相的高剩磁，就能大幅提高永磁材料的磁能積。

為了獲得較高的磁能積，目前人們普遍使用磁各向異性的釤鈷磁體。由于晶體的各向異性，裂紋一旦產(chǎn)生之后就更容易被擴(kuò)展，從而導(dǎo)致磁體報廢。

作為一種化合物，它本身比較硬脆因此很容易產(chǎn)生裂紋，加工成品率和使役性能都比較差。而磁體韌性的提高、以及機(jī)械性能的改善，是解決這一問題的關(guān)鍵。

此前，各向同性SmCo5的磁體磁能積，往往只有十幾MGOe（磁能積的單位），僅為各向異性磁體的一半。

而該團(tuán)隊研發(fā)的各向同性SmCo/FeCo復(fù)合磁體，其磁能積可以達(dá)到25MGOe以上的水平，并且鐵含量也相對更高，因此可以提高磁體的韌性和加工性能，進(jìn)而降低材料的制備成本。

如能進(jìn)一步提高其矯頑力，預(yù)計這種各向同性的SmCo/FeCo復(fù)合磁體，可以替代目前常用的單相SmCo5各向異性磁體，從而讓磁體的成品率和壽命得到較大提高，以將其廣泛用于高速電機(jī)等領(lǐng)域。

征服“兩座大山”

在制備SmCo/FeCo復(fù)合稀土永磁材料的時候，質(zhì)量問題和表征問題——在當(dāng)時是橫亙在他們面前的“兩座大山”。

當(dāng)該團(tuán)隊*次做出磁能積大于25MGOe的SmCo/FeCo各向同性復(fù)合磁粉的時候，大家都非常興奮。

而除了繼續(xù)優(yōu)化性能之外，他們也想看看是否還能提高磁能積，這時就得考慮磁粉的磁性測量問題。

磁粉的質(zhì)量稱量不準(zhǔn)、或者固化棒不均勻，都會給測量帶來誤差。為此，他們先把粉體做成塊體，這樣可以*大程度避免粉體測試的質(zhì)量誤差。

然而，當(dāng)他們把粉體做成塊體的時候，又發(fā)現(xiàn)塊體的性能確實(shí)不如粉體的性能。

于是，他們不得不重新回到粉體的測試中。歷經(jīng)多次改進(jìn)之后，才讓質(zhì)量誤差降低到5%以下，從而讓高磁能積的實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠被重復(fù)。

隨后，課題組開始對粉體和塊體進(jìn)行表征。對于SmCo/FeCo納米復(fù)合塊體微結(jié)構(gòu)的表征，采用磨削離子減薄的方法制備出表征樣品，借助透射電子顯微鏡的成分掃描功能，讓軟相和硬相的分布情況得到了較為清楚的顯現(xiàn)。

而對于SmCo/FeCo納米晶復(fù)合粉體的表征，該團(tuán)隊則使用聚焦離子束，切割出透射電子顯微鏡的表征樣品。

但就在這時，哪怕使用成分面掃描的方法，也無法辨識出軟相和硬相，而且?guī)缀跬耆珶o法看到三種元素的偏聚。

更為困難的是，在確定軟相和硬相的晶粒尺寸時，由于成分的擴(kuò)散，這些晶粒呈現(xiàn)出“你中有我，我中有你”的情形，這時很難通過透射電子顯微鏡的形貌相和成分面掃描進(jìn)行分析和確定。

而使用X射線衍射只能估算出晶粒的尺寸，并且存在較大的誤差；采用高分辨率的透射電鏡，也只能給出特定顆粒的尺寸。

后來，課題組使用高分辨透射電鏡的成分線掃描法，并按照Co/Sm的比值確定了硬磁相的多種組分，再結(jié)合X射線衍射，終于讓多硬相和軟相的組成得到確定。

（來源：Journal of Materials Science&Technology）

跨越十年的研究：從歐美、再到中國浙江和上海

事實(shí)上，這一系列的研究*早可以追溯到2010年。那時，剛在歐美兩所院校完成博士后研究的杜娟，加入中科院寧波材料所擔(dān)任研究員一職。

彼時，她和當(dāng)時的團(tuán)隊開展了關(guān)于納米晶磁性材料的研究，期間涉及到納米晶的生長機(jī)制、尺寸和形貌控制和性能研究等方面。

2012年，杜娟看到德國一支團(tuán)隊在SmCo5/Fe納米復(fù)合多層薄中獲得了50MGOe的磁能積。

她回憶稱：“當(dāng)時我覺得把薄膜做出來相對容易一些，因?yàn)檐浻蚕嗑Я３叽绾蚐mCo5硬磁相取向都更容易被控制。而做粉體和塊體的納米復(fù)合稀土永磁就會比較困難，于是我用化學(xué)合成的方法入手做起。”

其中，僅在SmCo5顆粒上包覆軟磁相，就讓杜娟花費(fèi)了好幾年。她坦言：“期間也沒有什么很好的進(jìn)展，因?yàn)橛X得做的不夠好，也就沒有發(fā)表太多論文�！�

直到2022年，這一系列工作才迎來重要轉(zhuǎn)折，這一年他們在軟磁相的晶粒尺寸和厚度控制上，采用表面活性劑輔助低溫化學(xué)包覆的方法，實(shí)現(xiàn)了5nm軟磁相的可控制備。除了具備高磁能積外，矯頑力也得到了*大程度的保留。在化學(xué)法制備納米復(fù)合磁體方面，杜娟終于自覺還算滿意，于是在ACSAMI上發(fā)表了一篇論文。

大概在2017年，他們同時開展了物理法制備納米晶稀土永磁材料。當(dāng)制備納米復(fù)合稀土永磁時，各向同性的復(fù)合磁體的磁能積，已經(jīng)能被做到19.2MGOe。

于是，她打算采用團(tuán)隊自己發(fā)展的低溫變形方法，嘗試做出硬磁相的織構(gòu)，希望借此可以大幅提升磁能積。就在那一年，課題組完成了低溫變形在100納米的NdFeB納米晶合金中形成織構(gòu)的工作，相關(guān)論文發(fā)表在Nanoscale和J.RareEarth上。

杜娟表示，使用這種低溫變形的方法，可以讓晶粒尺寸得到很好的控制，并且可以形成百納米以下晶粒的織構(gòu)，從而讓各向異性納米復(fù)合稀土永磁體的制備變得更加容易。

當(dāng)使用非晶晶化法制備SmCo5/Fe復(fù)合磁粉時，她和團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)低溫晶化可以獲得非常高的剩磁，這種高剩磁的來源可能不單單來源于FeCo軟磁相的形成。

后來，通過詳細(xì)的微觀組織結(jié)構(gòu)表征，他們發(fā)現(xiàn)了多硬相加軟相的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，這讓各向同性的SmCo/FeCo多硬相的軟硬復(fù)合材料獲得了非常高的磁能積。

具體來說：在多硬相的SmCo/FeCo的軟硬復(fù)合塊體中，課題組獲得了23.6MGOe的磁能積；在多硬相的SmCo/FeCo的軟硬復(fù)合粉體中，課題組獲得了29.1MGOe的磁能積。

一番研究之后，他們發(fā)現(xiàn)相組成和晶粒尺寸等微觀組織的差異，是具有磁能積不同的原因。關(guān)于這一發(fā)現(xiàn)的成果，他們整理成數(shù)篇論文，并陸續(xù)發(fā)表在J.Mater.Sci.Technol、MaterialsTodayPhysics等期刊上。

這讓杜娟不禁感慨：“我們這一系列研究歷經(jīng)整整10年，真正讓我體會到‘十年磨一劍’的感覺。期間需要克服心理、知識和實(shí)驗(yàn)結(jié)果剖析等多方面的障礙。科研要耐得住寂寞，它的魅力在于攀登科學(xué)高峰之中不斷會遇到驚喜，而這會鼓勵你一直前行。雖然我們還沒有達(dá)到目的地，但是這些階段性成果也將鼓勵我們繼續(xù)前行�！�

（來源：Journal of Materials Science&Technology）

下一步，她打算制備出高性能納米晶塊體。要想從粉體做到塊體，如何保留住微觀組織結(jié)構(gòu)將是必須面對的挑戰(zhàn)，而這也是她即將啟動的新課題。

此外，對于SmCo/FeCo納米晶復(fù)合磁體中的硬磁相晶粒，杜娟計劃對其硬磁相進(jìn)行取向，同時還將提高復(fù)合磁體的矯頑力，借此希望產(chǎn)生更好的研究成果，帶來更多的應(yīng)用可能。

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