磁畴重排与纳米沉淀协同效应实现Fe-Ga随机多晶合金超大磁致伸缩性能

针对高性能磁致伸缩材料依赖单晶生长和复杂域取向调控的瓶颈问题，中国科学院团队通过热磁处理在Fe81Ga19随机多晶中构建了磁畴定向排列与相干L60纳米沉淀的协同体系，获得465 ppm的饱和磁致伸缩3/2λs，超越单晶性能（430 ppm）。该研究为简化磁致伸缩器件设计提供了新思路。

　　

磁致伸缩材料在传感器、换能器等精密器件中具有重要应用，但传统高性能材料必须通过复杂的单晶生长和磁畴取向调控才能实现。以Terfenol-D为代表的稀土基材料虽性能优异，但成本高昂；而Fe-Ga合金虽成本较低，其多晶态的磁致伸缩系数（λ_//s仅65 ppm）远低于单晶态（430 ppm）。如何通过简易工艺实现多晶材料的高性能化，成为该领域亟待突破的科学难题。

中国科学院团队选择磁致伸缩峰值成分Fe₈₁Ga₁₉多晶为研究对象，创新性地采用"磁场缓冷（MSC）+等温时效"的热磁处理工艺。通过物理性能测量系统（PPMS）测试磁化曲线，结合洛伦兹透射电镜（L-TEM）观察磁畴结构，并利用高分辨透射电镜（HR-TEM）和选区电子衍射（SAED）分析纳米沉淀相，系统研究了微观结构演变与磁致伸缩性能的关联机制。

在磁畴结构方面，研究通过Fresnel成像技术发现：经6小时时效的MSC样品仅存在180°磁畴壁，而未经磁场处理的样品呈现闭合磁畴结构。这表明磁场缓冷成功诱导了单轴磁各向异性，且时效过程未破坏该取向特征。X射线衍射（XRD）步进扫描显示{112}-A2衍射峰不对称分裂，证实基体产生平均体心四方（bct）畸变，计算得到c/a=1.012，显著增大了自发磁致伸缩常数λ₀₀₁。

在纳米沉淀相调控方面，HR-TEM观测到尺寸10-20 nm的L6₀沉淀相，其FFT图谱显示沿<1 0 1>-L6₀晶带轴的超点阵衍射斑点。通过暗场像分析发现，磁场处理使沉淀相尺寸从非磁缓冷（NSC）样品的5 nm增大至15 nm，且保持完全共格。值得注意的是，MSC处理有效抑制了有害的D0₃有序化，而常规缓冷样品中则同时存在D0₃和L6₀相。

性能测试表明，6小时时效MSC样品的3/2λ_s高达465 ppm，是初始态（85 ppm）的5.47倍，甚至超过文献报道的单晶最大值430 ppm。磁化曲线测试显示平行于H_ex方向的磁化强度显著高于垂直方向，证实了单轴磁各向异性的形成。通过对比不同处理工艺发现：单纯磁场缓冷可使3/2λ_s提升至325 ppm；而延长时效至8小时会导致L6₀沉淀失共格并破坏磁畴取向，使性能回落至160 ppm。

研究从热力学角度揭示了磁场的作用机制：在A2→A2′+L1₂分解过程中，外加磁场通过磁化能差（ΔG^M）增大L6₀相形核驱动力，同时抑制D0₃有序化。经典形核理论计算表明，磁场使临界形核半径R*减小，显著提升形核率。磁畴定向排列产生的内建磁场进一步加速沉淀相生长，形成"磁畴-沉淀"协同增强效应。

该研究的创新价值体现在三方面：首先，突破了多晶材料磁致伸缩性能的极限，首次实现性能超越单晶的Fe-Ga多晶材料；其次，揭示了磁畴重排与沉淀相的动态交互作用，为磁性材料设计提供新思路；最后，开发出无需单晶生长的简易制备工艺，大幅降低生产成本。相关成果发表在《Materials》期刊，为开发新一代高性能磁致伸缩器件奠定了材料基础。未来该策略可拓展至Fe-Al、Fe-Si等铁基合金体系，有望获得更优异的磁致伸缩性能。