球形硬磁@软磁核壳结构纳米颗粒的高能积增强机制研究

本研究针对永磁材料能量积(|BH|max)优化难题，通过构建Nd2Fe14B/CoPt硬磁核与Fe/CoFe2软磁壳的球形纳米颗粒体系，结合微磁学模拟揭示了几何参数与材料选择对磁性能的调控规律。研究发现3nm Fe壳层可使Nd2Fe14B和CoPt核的|BH|max分别提升58%和256%，为新型复合永磁材料设计提供了理论依据。

　　

在永磁材料领域，如何突破传统稀土材料的性能极限始终是科学家们追逐的目标。Nd₂Fe₁₄B等稀土永磁体虽具有优异矫顽力，但其饱和磁化强度不足；而Fe、CoFe₂等软磁材料虽具备高饱和磁化强度，却因矫顽力过低难以单独用作永磁体。这种"鱼与熊掌不可兼得"的困境，促使研究者探索通过纳米尺度复合来实现性能突破。

由巴西研究人员团队开展的本项研究，创新性地采用球形核壳结构纳米颗粒设计，将高矫顽力的硬磁材料（Nd₂Fe₁₄B/CoPt）与高饱和磁化的软磁材料（Fe/CoFe₂）有机结合。通过系统的微磁学模拟，揭示了几何参数与材料特性对磁性能的协同调控机制，相关成果发表在《Journal of Alloys and Compounds》上。

研究采用微磁学模拟方法，建立球形核壳纳米颗粒的三维模型，通过求解Landau-Lifshitz-Gilbert方程模拟磁化过程。关键参数包括核心直径D（1-15nm）、壳层厚度δ（1-5nm），以及材料本征参数如交换刚度常数A、磁晶各向异性常数K等。通过对比不同材料组合的磁滞回线特征，量化评估能量积增强效果。

【理论模型】
建立硬磁@软磁核壳纳米颗粒的微磁学模型，采用立方晶格离散化处理（晶格常数d小于交换长度）。通过设置Nd₂Fe₁₄B/CoPt核与Fe/CoFe₂壳的界面交换耦合强度，模拟不同外场下的磁化反转过程，重点分析退磁曲线中|BH|乘积的极值点。

【结果与讨论】

1. 材料选择效应：Fe壳层因更高的饱和磁化强度（2.15T）和交换刚度常数（2.1×10^-11J/m），比CoFe₂更利于提升|BH|_max。
2. 尺寸优化规律：当核直径D=5nm、壳厚δ=3nm时，Nd₂Fe₁₄B@Fe体系|BH|_max达474kJ/m³，较纯核提升58%。
3. 界面耦合机制：足够大的交换刚度常数可确保壳层磁矩与核保持共线反转，避免出现磁涡旋态。

【结论】
该研究证实通过精确调控核壳几何参数（小核径、适中壳厚）和优选高A值软磁材料，可显著提升复合体系的|BH|_max。特别是采用3nm Fe壳层时，稀土-free的CoPt@Fe体系实现256%的性能跃升，这为开发新一代非稀土永磁材料提供了明确的设计准则。研究还指出，未来需进一步优化界面交换耦合强度与热稳定性，以推动实验室成果向工业应用转化。