磁热场诱导纳米层状磁体的磁-机械协同硬化：一种无稀土高性能磁体设计新策略

编辑推荐：针对稀土依赖型磁体成本高、脆性大的双重挑战，Liuliu Han团队创新性地采用Co28.6Ni28.8Fe30.6Al12.0多组分合金体系，通过9T磁热场（TMA）加速共析分解形成纳米层状结构，实现矫顽力（Hc）提升3930%至27.5 kA/m，同时硬度达9.27 GPa。该研究为高速电机等苛刻工况下的磁体设计提供了兼具磁性与机械性能的解决方案，发表于《Nature Communications》。

　　

在绿色能源转型的浪潮中，高性能磁体作为风力发电、电动汽车和高速电机的核心组件，其重要性不言而喻。然而，当前主流稀土永磁材料如Nd-Fe-B和Sm-Co面临双重困境：一方面，稀土元素的稀缺性和价格波动带来供应链风险；另一方面，金属间化合物的本征脆性使其难以承受5万转/分钟超高速飞轮储能系统中的动态载荷。更棘手的是，传统粉末冶金工艺不仅能耗高，加工过程中20%的Sm-Co磁体因断裂韧性不足（1.9-2.9 MPa·m^1/2）而报废。这些瓶颈严重制约着高效可持续电气化的发展。

针对这一重大需求，由国内研究机构领衔的国际合作团队在《Nature Communications》发表突破性研究。研究人员选择Co_28.6Ni_28.8Fe_30.6Al_12.0（at.%）多组分合金（MCA）为基体，创新性地引入9T强磁场辅助热处理方法（TMA），通过调控共析分解动力学，成功制备出兼具优异磁性和机械性能的纳米层状结构磁体。这项研究的意义在于：首次实现磁热场对相变动力学的精确调控，为设计无稀土多功能磁体开辟新途径；同时破解了传统硬磁材料"高矫顽力必伴随高脆性"的魔咒，使其能胜任极端机械载荷工况。

研究团队采用多尺度表征与计算相结合的方法体系：通过物理性能测量系统（PPMS）实施9T磁场下的等温热处理；利用原位扫描透射电镜（STEM）观测873K下纳米层状结构的动态形成过程；结合原子探针断层扫描（APT）解析近原子尺度的成分偏聚；采用洛伦兹透射电镜（LTEM）和磁光克尔效应（MOKE）显微镜研究磁畴结构；并通过高通量纳米压痕技术建立微观组织-力学性能关联。密度泛函理论（DFT）计算则揭示了Co-Fe富集B2相的高磁矩（4.06μ_B/f.u.）起源。

合金设计与微观结构分析

通过热力学模拟锁定fcc→fcc+bcc共析转变温度窗口（923-1623K），在873K实施TMA处理时，外磁场使相分解动力学显著加速——完全消耗初始fcc相的时间从常规热处理的6小时缩短至5小时。高角环形暗场STEM显示，交替分布的"细层"（64.7±22.9nm，无序fcc+L1₂）和"粗层"（182.2±14.6nm，B2结构）构成分级纳米结构。APT分析揭示粗层中还存在超细网络结构（9.1±2.3nm），其Ni-Al富集化学式（Ni_53.9Al_30.7Fe_8.3Co_7.1）与周围Co-Fe富集区（Co_47.2Fe_43.6Ni_4.6Al_4.5）形成鲜明对比。

磁结构表征

MOKE显微镜观察到两种磁畴尺度：微米级bcc相内3.6±1.5μm的大磁畴，以及共析区亚光学分辨率的精细磁畴。MFM显示纳米层状界面产生显著磁对比度，LTEM测得bcc相的畴壁宽度为43±6nm（典型软磁特征），而层状结构对畴壁运动产生强钉扎效应。这种钉扎主要源于两方面：4.5±3.4μm的小共析团尺寸和123.5±18.7nm的层间距，其界面密度比常规热处理提高40%。当TMA时间延长至10小时，团簇尺寸（12.9±10.1μm）和层间距（192.6±36.6nm）的粗化导致矫顽力下降。

机械性能

高通量纳米压痕（150×150阵列）揭示纳米层状结构的硬度（9.27GPa）是未分解fcc相（6.06GPa）的1.5倍。200mN深压痕实验显示，位错滑移线在fcc/层状结构界面被有效阻挡。宏观压缩试验证实含层状结构的TA-5h合金在保持50%塑性的同时，屈服强度显著提升。这种强化源于纳米层状结构对位错运动的阻碍，以及B2相固有的高硬度特性。

该研究通过磁热场调控共析分解，在无稀土多组分合金中实现磁-机械性能的协同提升。TMA5磁体的矫顽力（27.5kA/m）创Co-Fe-Ni-Al体系纪录，比均质态提高40倍，同时饱和磁化强度（M_s）提升至123.8Am²/kg。其核心创新在于：外磁场加速相变动力学，细化组织尺度；纳米层状界面同步钉扎磁畴壁和位错；Co-Fe富集B2相提供高磁矩（4.06μ_B</