Fe-N合金高通量筛选：无稀土永磁体与磁热效应的创新设计与应用

本研究通过高通量密度泛函理论计算，系统筛选了FexN1-x化合物的永磁与磁热性能，发现15种MAE>1 MJ/m3的潜在永磁材料（含1种硬磁体Fe2N）和40种磁变形ΣM>1.5%的磁热候选材料，填补了稀土基与过渡金属基磁体间的应用空白，为绿色能源技术提供新解决方案。

　　

随着混合动力汽车、风力发电机等绿色能源技术的快速发展，高性能永磁体的需求急剧增长。然而，目前主流稀土永磁体如Nd-Fe-B面临稀土资源稀缺、生产成本高和环境污染等问题，而过渡金属基磁体（如AlNiCo）又存在磁晶各向异性能量（MAE）不足的缺陷。这一"应用光谱缺口"严重制约了可持续发展。与此同时，磁热效应（MCE）材料在磁制冷领域展现出替代传统压缩制冷的潜力，但现有材料多依赖稀土元素。如何通过廉价元素设计兼具高MAE和大磁变形的材料，成为材料科学领域的重大挑战。

在这项发表于《Scripta Materialia》的研究中，Qiang Gao团队创新性地选择Fe-N体系作为突破口。该体系具有三大优势：氮化反应常伴随负形成能、铁元素成本低廉，且氮原子可诱导四方畸变增强MAE。研究人员采用高通量密度泛函理论（DFT）计算结合维也纳从头算模拟包（VASP），系统评估了49种铁氮化合物的磁性能。关键技术包括：基于投影缀加波法的电子结构计算、磁晶各向异性能量（MAE）的定向能量差分析、磁变形（Σ_M）的拉格朗日应变张量量化，以及通过海森堡模型估算居里温度（T_C）。

关键发现一：突破性永磁材料

研究首次在Fe₁₆N₃中发现了1.751 MJ/m³的超高MAE，这一数值是已知α"-Fe₈N的2倍多，媲美L1₀-FePd（1.8 MJ/m³）。更有趣的是，正交相Fe₂N展现出κ>1的硬磁特性，其MAE达1.3 MJ/m³，打破了传统认为Fe₂N是顺磁体的认知。通过调节氮原子占位，Fe₈N、Fe₄N等化合物的MAE可在0.005-1.047 MJ/m³宽幅调控，为性能优化提供新思路。

关键发现二：磁热材料新体系

基于磁变形判据（Σ_M>1.5%），团队筛选出40种潜在MCE材料，其中三斜相Fe₇N以9.36%的Σ_M刷新纪录。值得注意的是，ε-Fe₃N和γ'-Fe₄N的Σ_M分别达1.93%和1.92%，与实验报道高度吻合。更引人注目的是，Fe₁₆N₃等四种材料同时满足MAE>1 MJ/m³和Σ_M>1.5%，实现永磁与磁热性能的完美统一。

磁性能的构效关系

研究发现Fe含量（x）与饱和磁化强度（M_S）呈近似线性关系：当x>0.75时，金属键主导使每个Fe原子磁矩贡献均一；而在0.60<>_S显著偏离线性。通过海森堡模型估算，这些材料的居里温度（T_C）覆盖177.5-1043.5K，其中Fe₁₆N₃的交换耦合常数（J）达14.378 meV，展现出优异的温度稳定性。

这项研究不仅发现了Fe-N体系在MAE和Σ_M上的突破性表现，更揭示了氮原子调控磁性能的微观机制。通过建立成分-结构-性能的定量关系，为设计无稀土多功能磁性材料提供了全新范式。特别是Fe₂N硬磁体的理论预测，将推动实验合成技术的革新。未来研究可聚焦于：①开发Fe₁₆N₃等高性能材料的低温制备工艺；②验证磁变形与熵变（ΔS_M）的定量关系；③探索MAE与Σ_M的协同调控策略。这些突破或将重塑永磁和制冷技术的产业格局。