Sm2(Co,Fe,Cu,Zr)17永磁体中晶界与晶内钉扎中心的识别及其性能优化指导

《Nature Communications》：Identifying grain boundary and intragranular pinning centres in Sm2(Co,Fe,Cu,Zr)17 permanent magnets to guide performance optimisation

为解决高性能Sm-Co永磁体微观结构与磁性能关联机制不明的问题，研究人员通过多尺度显微技术（APT、TEM、电子全息等）开展了Sm2(Co,Fe,Cu,Zr)17磁体中钉扎中心的系统性研究。结果表明Cu原子排列与1:5相涂层层是控制磁畴钉扎的关键功能化缺陷，而晶界虽在低场（0.1–0.3 T）反转却对整体矫顽力影响有限。该研究为优化永磁体微观结构设计提供了新思路。

　　

在追求碳中和的全球浪潮中，高效永磁体已成为电动汽车、航空航天等高技术领域的核心材料。其中，钐钴（Sm-Co）磁体因其卓越的高温稳定性和耐腐蚀性，在250°C以上环境中性能远超钕铁硼（Nd-Fe-B）磁体，成为不可替代的关键材料。然而，Sm-Co磁体的高性能源于其极其复杂的纳米级微观结构——由Sm₂(Co,Fe)₁₇（2:17相）基体、Sm(Co,Cu)₅（1:5相）晶界相和富锆（Z相）片层共同构成的自组装体系。这一微观结构的细微变化会显著影响磁畴的钉扎强度，进而决定磁体的矫顽力等宏观性能。长期以来，科学界普遍认为晶界是磁体中的“薄弱环节”，但这一观点缺乏多尺度的直接实验证据支撑。此外，随着铁（Fe）含量的增加以提升磁能积，如何维持微观结构的稳定性成为优化磁体性能的核心挑战。

为揭示Sm-Co磁体性能的微观机制，由Stefan Giron、Nikita Polin、Esmaeil Adabifiroozjaei等来自德国达姆施塔特工业大学、马克斯·普朗克可持续材料研究所等机构的研究人员，在《Nature Communications》上发表了最新研究。他们选取同一工业批次中性能迥异的两个Sm(Co_0.65Fe_0.27Cu_0.06Zr_0.02)_7.7烧结磁体（样品A矫顽力μ₀H_c=2.2 T，样品B μ₀H_c=3.0 T），通过克尔显微镜、原子探针层析技术（APT）、透射电子显微镜（TEM）、电子全息术等多尺度表征手段，结合微磁模拟，系统分析了晶界与晶内区域微观结构对磁畴钉扎行为的影响。

关键技术方法包括：利用振动样品磁强计（VSM）和脉冲磁场磁强计测量宏观磁性能；通过背散射电子扫描电子显微镜（BSE-SEM）和克尔显微镜定位磁畴反转区域；采用原子探针层析技术（APT）和透射电子显微镜（TEM）实现纳米级成分与结构映射；结合洛伦兹TEM和电子全息术可视化磁畴壁钉扎行为；最后通过微磁模拟（Mumax3）验证微观结构参数对矫顽力的影响。所有样品均来自工业生产批次，仅高温均质化步骤存在7 K差异。

磁畴反转的宏观与微观关联

通过克尔显微镜观察发现，样品A的晶界附近存在低矫顽力区域（低H_c区），其在0.5 T场下即开始磁化反转，而高H_c区需更高场强（1.5 T）才反转。相比之下，样品B的磁化反转仅局限于晶界区域，且微观结构均匀性更高。

纳米相分布的差异决定钉扎强度

TEM与APT分析表明，样品A的低H_c区中1:5相和Z相体积分数更高，但1:5相内Cu浓度较低（约低5 at.%），且Z相片层表面缺乏Cu富集涂层层。而高H_c区及样品B晶内区域则存在连续的1:5相涂层层（Cu峰值达8 at.%），显著增强了磁畴壁钉扎效应。

晶界区域的有限影响

尽管晶界区域在0.1–0.3 T场下发生磁化反转，但微磁模拟显示该反转被限制在晶界薄层内，并未向晶内扩展。晶内完整的纳米结构（尤其是P2'型钉扎中心，即涂层Z相与1:5相交界）才是抵抗高场反转的关键。

磁畴壁钉扎的直接观测

通过电子全息术首次直接可视化了磁畴壁在1:5相与2:17相界面的钉扎行为，证实Z相片层与1:5相涂层层形成的复合结构可有效阻碍畴壁运动，其钉扎强度远高于传统几何钉扎中心。

本研究通过多尺度实验与模拟相结合，明确了Sm-Co磁体高性能的微观机制：Cu原子在1:5相及其涂层层中的分布是调控磁畴钉扎的核心因素。相较于传统认知，晶界并非磁体矫顽力的主导限制因素，而晶内纳米结构的化学优化（如提高1:5相Cu浓度、形成连续涂层层）才是提升性能的关键。该成果为设计低稀土含量、高温度稳定性的永磁体提供了新范式，通过精准调控“功能化缺陷”（functionalized defects），有望突破现有磁性能瓶颈。