《Journal of Alloys and Compounds》：Synergistic Texture Engineering in Fe-Rich Nanocomposite Bulk Magnets with High Soft-Phase Content
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摘要将具有高饱和磁化强度 (Ms) 的软磁相（如 Fe 或 FeCo）以高体积分数分散到纳米晶稀土永磁体中，可赋予其超理论最大磁能积 ((BH)max)。例如，理论上预测含有约 70 vol.% 软磁相的 Nd2Fe14B/α-Fe 纳米复合磁体可达到接近 100 MGOe
摘要
将具有高饱和磁化强度 (Ms) 的软磁相（如 Fe 或 FeCo）以高体积分数分散到纳米晶稀土永磁体中，可赋予其超理论最大磁能积 ((BH)max)。例如，理论上预测含有约 70 vol.% 软磁相的 Nd2Fe14B/α-Fe 纳米复合磁体可达到接近 100 MGOe 的 (BH)max 值，大幅超过单相 Nd2Fe14B 约 64 MGOe 的理论极限。然而，在富铁纳米复合材料中实现这一潜力的实验尝试长期受到内在困难的阻碍，即难以同时实现硬磁相的强晶体学织构和保持软磁相的纳米级晶粒尺寸。在本工作中，我们提出了一种协同策略，成功在含有 50 wt. % α-Fe 的 Pr2Fe14B/α-Fe 纳米复合材料中实现了硬磁相的强 (00 l) 择优取向，同时将平均晶粒尺寸保持在仅约 15 nm。结果，在该高软磁相含量下实现了 20.7 MGOe 的创纪录最高最大磁能积，相比之前报道的具有可比软磁相分数的成分提高了 2.6 倍。此外，该方法显著增强了相间交换耦合。这项工作克服了纳米复合磁体设计中的一个长期挑战，即在具有高软磁相分数和纳米级晶粒尺寸的磁体中诱导强晶体学织构，并为开发高性能纳米晶复合永磁体提供了一条可行的途径。
引言
R?Fe?B 永磁体凭借其卓越的最大磁能积 (BH)max，在电动汽车、风力涡轮机和机器人技术等现代技术中不可或缺。[1], [2] 然而，传统单相 R?Fe?B 磁体的性能根本受限于其本征饱和磁化强度 (Ms)，实验实现的 (BH)max 值已接近理论极限。因此，任何进一步的 (BH)max 实质性改善必须源于整体饱和磁化强度的增加。[3] 纳米复合磁体由于源自大量软磁 α-Fe 相（通常≥20%）而具有内在的高 Ms，为克服这一限制提供了一条有前途的途径。理论模型预测，增加软磁相的体积分数可以显著提高复合 M? 及其理论的 (BH)max。[4], [5] 当软磁相分数接近 ~70 vol. % 时，预测的 (BH)max 可接近 100 MGOe，远超传统烧结磁体的上限。[6]
尽管具有这些理论优势，增加软磁相含量引入了严重的实际挑战。[7] 当软磁相分数超过 ~50% 时，经常发生晶粒粗化，更关键的是，实现硬磁相的晶体学排列变得极其困难。[8], [9] 在高软磁相含量结合有效交换耦合所需的纳米级晶粒尺寸（通常 <20 nm）条件下，建立和保持硬相的强织构尤为具有挑战性。这造成了一个根本的权衡：虽然较高的软磁相分数增强了饱和磁化强度，但它同时降低了硬相取向，从而限制了剩磁和可实现的磁能积。
高软磁相纳米复合材料中缺乏晶体学织构可归因于两个主要因素，其中之一是本征纳米尺度效应。尽管已经为控制亚微米和微米级 R-Fe-B 永磁体中的晶粒取向开发了成熟的技术和理论框架，如磁场取向技术和晶粒滑移、旋转和溶解-再沉淀理论。[10], [11], [12], [13] 这些方法在纳米尺度上无效，无法诱导择优取向。第二个因素是软磁相的高含量。软磁相倾向于优先沉淀，为硬磁相产生大量异质形核位点。[14], [15] 异质形核降低了沿多个晶体学方向形成相的临界自由能势垒，从而促进随机取向纳米晶的生长，而不是晶体学织构的发展。[16], [17] 因此，含有超过 ~40 wt.% 软磁相的块体纳米复合磁体通常表现出各向同性磁行为，(BH)max 值很少超过 8 MGOe。[18], [19], [20]
在本工作中，我们提出了一种策略，使具有高软磁相含量（~50 wt.%）的块体纳米复合材料中的硬磁相能够优选 (00 l) 取向。该方法通过非平衡快速加热抑制软磁相界面处的异质形核，同时积极利用各向异性应变能 (W) 来驱动硬相的定向形核，从而克服了上述挑战。通过增加不同晶体学方向上形核的临界自由能梯度，该方法促进了沿磁易轴的对齐。因此，我们首次实现了平均晶粒尺寸约 ~15 nm 的纳米晶复合材料硬相中明显的 (00 l) 织构，其中晶体学织构和增强的硬 - 软交换耦合的协同效应产生了 20.7 MGOe 的创纪录最高最大磁能积。这一突破为复合磁体中的纳米尺度织构控制确立了一个清晰的设计原则：通过工程化形核能景，即使在高软磁相分数下也可以实现可控的晶体学取向。
章节片段
实验细节
在氩气气氛下，使用氩弧炉熔炼名义成分为 Pr6Fe85Cu1Zr2B6 (at. %) 的合金锭。所有组成元素的纯度均大于 99.95%。将合金锭重熔六次以确保成分均匀性。通过熔体旋淬生产非晶 Pr6Fe85Cu1Zr2B5 带材，轮速为 28 m/s，通过直径约为 0.2mm 的石英注射器。然后将这些非晶带材研磨成粒径为
微观结构与磁性能分析
图 1 展示了在以下三种条件下处理的样品的 XRD 图谱和相含量：RHTD、SHTD 和 HT。确认所有三种条件的前驱体均为非晶（图 1(d)）。RHTD 样品在垂直于压力方向的表面上表现出显著增强的 (004) 和 (105) 衍射峰，表明 Pr2Fe14B 纳米晶具有强 (00 l) 晶体学织构。在 SHTD 样品中观察到类似但较弱的织构。
结论
变形过程主要采用高应力和大应变将大量的各向异性应变能引入晶体结构。这种各向异性应变能，表示为 W，通过在不同晶体学取向之间产生形核临界自由能的梯度，促进了 Pr2Fe14B 沿 (00 l) 方向的形核。同时，耦合的非平衡快速加热促进了 Pr2Fe14B 和 α-Fe 的共沉淀，同时抑制了
CRediT 作者贡献声明
Xiang Luo: 形式分析。 Xiaohe Liu: 调查。 Wei Li: 写作 – 审阅与编辑，监督，项目管理，方法论，调查，形式分析。 Xiaohong Li: 写作 – 审阅与编辑，监督，项目管理，方法论，资金获取。 Xinzhou Li: 验证，调查。 Chongxiao Zhang: 验证，调查。 Yuting Xiao: 验证。 Hongde Yan: 调查。 Li Lou: 写作 – 审阅与编辑，可视化，方法论，调查，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本论文中报告的工作。
致谢
我们感谢国家自然科学基金 (Nos. U22A20116, 52371200) 的资助。
利益冲突
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本论文中报告的工作。
Zhiwen Bi|Li Lou|Chongxiao Zhang|Xinzhou Li|Hongde Yan|Yuting Xiao|Xiaohe Liu|Xiang Luo|Wei Li|Xiaohong Li
极端变形研究中心，亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室，燕山大学，中国，秦皇岛，066004
