原位热机械化学转化与一步固结法制备块体Sm-Co永磁体：高性能磁粉的低能耗制备新策略

本研究针对传统粉末冶金制备Sm-Co永磁体存在的脆性粉末加工难题，开发了摩擦固结(FC)这一单步固态加工技术。通过同步实现Sm2Co7粉体的变形、加热与化学转化，诱导氧化反应生成纳米级SmCo(5-x)和Sm2O3相，利用氧化还原反应与绝热剪切产生的热量实现无外热输入的致密化。该技术通过调控应变与温度实现相组成优化，饱和磁化强度提升至64 emu/g，为脆性磁性材料加工提供了可规模化、低能耗的新途径。

　　

高性能永磁材料是现代能源技术和精密器件的核心组件，其中Sm-Co合金因其卓越的居里温度和磁晶各向异性备受青睐。然而传统粉末冶金工艺面临两大瓶颈：Sm-Co粉末本征脆性导致的低成型率，以及高温烧结引发的氧化和晶粒粗化问题。这些缺陷严重制约着电动汽车、微机电系统等关键领域的应用需求。

针对这一挑战，美国太平洋西北国家实验室(Pacific Northwest National Laboratory)与北卡罗来纳州立大学(North Carolina State University)的联合团队创新性地将摩擦固结(Friction Consolidation, FC)技术引入磁性材料领域。这项发表于《Nature Communications》的研究，通过独特的机械-热-化学协同机制，在单步工艺中同时解决了粉末致密化与微观结构调控的难题。

研究采用商业SmCo粉末（含Sm₂Co₇和SmCo₅相）为原料，在300 RPM转速、4536 kg轴向压力下进行120秒的FC处理。通过多尺度表征技术（包括SEM-EBSD联用、TEM-EDS元素映射、原子探针断层扫描APT）解析相变机制，结合SQUID-VSM磁强计测量磁性能，并采用纳米压痕仪进行力学性能评估。

密度与微观结构的空间演变

FC处理后的样品呈现梯度密度分布（4.64→8.56 g/cm³），顶部完全致密区形成SmCo_(5-x)（x<1）和Sm₂O₃纳米相。KAM图显示应变能集中在颗粒边界，导致脆性颗粒破碎形成双峰晶粒分布（平均尺寸5μm）。

氧化还原驱动的相变

Sm₂Co₇相边界发生选择性氧化，遵循反应：7Sm₂Co₇+6O→10SmCo_4.9+2Sm₂O₃。APT分析揭示界面处存在53 nm厚的Sm富集层（71.4 at.% Sm），并检测到含7.8 at.% H的过渡态氧化物。

磁性能调控机制

完全致密区饱和磁化强度达64 emu/g，优于部分致密区（48 emu/g）。MFM显示3μm磁畴壁间距，Sm₂O₃颗粒产生Zener钉扎效应抑制晶粒长大。但随机晶粒取向导致矫顽力（8 kOe）低于烧结磁体（15-25 kOe）。

力学性能强化

纳米压痕测试显示硬度9.2±0.1 GPa，Sm₂Co₇富集区杨氏模量达136.5 GPa。脆性穿晶断裂证实颗粒间完全融合。

这项研究开创了三大突破：首次证实FC技术可通过机械化学耦合实现Sm-Co粉末的原位相变与致密化；阐明应变-温度梯度调控相组成的规律；发现氧化衍生纳米相的钉扎效应可提升热稳定性。相比传统工艺，该方案降低能耗50%以上，为开发新一代高性价比永磁体提供了全新范式。未来通过优化旋转速度、环境控制和磁场辅助等手段，有望进一步突破磁性能极限。