机械活化自维持燃烧合成 Mn3AlC 磁性粉末：稀土永磁替代材料的新突破

为解决稀土永磁体（REPM）的可持续性问题，研究人员开展以 MnO2+Al+C 混合物为原料，机械活化自维持燃烧合成 Mn3AlC 磁性粉末的研究。结果表明 5h 机械活化可引发反应，确定 Al 和 C 最佳化学计量比。该研究为制备无稀土永磁粉末提供新方法。

　　在当今追求绿色能源和可持续发展的时代，永磁体（PMs）在诸多关键领域发挥着不可替代的作用，像电动汽车、风力发电等技术都离不开它。然而，目前性能最强的永磁体依赖稀土（RE）元素，稀土开采对环境和人类健康造成了严重影响。随着对稀土永磁体（REPM）需求的不断攀升，全球稀土元素供应压力剧增，寻找 REPM 的替代品或稀土替代方案，以支持绿色能源转型并减少稀土消耗，成为了科研领域的关键难题。

在这样的背景下，来自中央冶金研究与发展研究所（Central Metallurgical Research and Development Institute）的研究人员，开展了一项极具创新性的研究。他们首次通过机械活化辅助自蔓延燃烧过程，利用高放热的 MnO₂-Al-C 混合物制备出由 Mn₃AlC 组成的无稀土磁性粉末。这项研究成果发表在《Heliyon》杂志上，为解决永磁体可持续性问题带来了新的曙光。

研究人员为了探究制备 Mn₃AlC 的可行性，采用了多种关键技术方法。他们运用 X 射线衍射（XRD）分析样品的相结构；通过场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）观察微观结构；利用能量色散 X 射线光谱（EDS）确定化学组成；借助振动样品磁强计（VSM）检测磁性。在整个实验过程中，研究人员还精心调整了机械活化时间、铝和碳的含量，以全面考察这些因素对合成反应的影响。

研究结果主要包括以下几个方面：

1. 热力学计算：通过 FactSage 软件计算 MnO₂-Al-C 体系的相图和绝热温度。结果显示，该体系的绝热温度为 3724°C，有利于发生自维持放热反应，且研究聚焦于 MnO₂+Al+C 组成在 J、K、L 区域对 Mn₃AlC 相形成的影响。
2. 机械活化时间的影响：对不同机械活化时间（1 - 6h）的混合物进行矿物学分析。发现随着活化时间从 1h 增加到 4h，各相衍射峰强度减弱、变宽；5h 时，起始材料相消失，出现 Mn₃AlC 和 Al₂O₃新相，且无中间相形成，这表明 5h 机械活化引发了混合物的突然瞬时反应。进一步延长至 6h，对 Mn₃AlC 相的形成无显著影响。
3. 铝含量的影响：研究不同铝含量（0.5 - 1.5X，X = 5）的混合物。结果表明，铝含量为 0.5X 时反应不完全；1X 时反应完全转化为 Mn₃AlC 和 Al₂O₃；超过 1X 则不利于 Mn₃AlC 形成，会出现 MnAl 相和不稳定的 Al₄C₃相。实验确定铝的最佳含量为 0.8X（0.5mol 分数）。
4. 碳含量的影响：改变碳含量（0.5 - 3X，X = 1）进行研究。发现碳含量增加到 2X 时，Mn₃AlC 相衍射峰强度增强；超过 2X 则减弱。热力学计算表明，碳含量达到 0.13mol 分数（1.2X）时，Mn₃AlC 形成达到最佳，之后多余碳以游离碳形式析出。实验确定碳的最佳含量为 2X（0.22mol 分数）。
5. 产物表征：利用手磁铁分离出磁性 Mn₃AlC 粉末，对优化后的研磨粉末和磁性部分进行 XRD 分析、磁化测量、SEM 微观结构观察和 EDS 成分分析。结果显示，分离后磁性部分氧化铝含量降低，Mn₃AlC 粉末富集，但磁性测量结果与文献值相比，饱和磁化强度（Ms）降低，矫顽力（Hci）增加。微观结构分析表明，不同阶段样品的颗粒形态和成分存在差异，磁性部分富含 Mn₃AlC，EDS 分析结果与 Mn₃AlC 相的理论值相符。

综上所述，该研究成功通过机械活化自维持反应合成了 Mn₃AlC 磁性粉末。明确了机械活化时间、铝和碳含量对合成过程的关键影响，确定了最佳反应条件。尽管目前产物的磁性性能与文献值相比还有提升空间，但为无稀土永磁粉末的制备提供了一种经济、简便的新方法，为推动永磁体行业的可持续发展奠定了重要基础，有望在未来的绿色能源领域发挥重要作用。