揭示铁在调控Sm-Co-Fe纳米晶磁体相组成和磁性能中的双重作用

《Materials Today Physics》：Revealing the dual role of Fe in regulating phase constitution and magnetic performance in Sm-Co-Fe nanocrystalline magnets

　　

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  第一性原理计算表明，约30 at.% Fe取代Co可最优地稳定SmCo₇（1:7）相并提高其饱和磁化强度。
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  通过调节Sm(Co_1-xFe_x)_6.1合金中的Fe含量，成功实现了以1:7相为主导的纳米复合微观结构（同时包含1:3、1:5和FeCo相）。
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  优化后的磁体（x=41.0 at.%）展现出17.0 MGOe的(BH)_max，是无铁磁体的2.6倍。
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  通过结合DFT计算与实验分析，阐明了Fe在调控相组成中的作用。
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  本工作为开发具有增强交换耦合效应的高性能纳米复合磁体提供了相设计策略。

引言

在新能源汽车和航空航天设备等应用中，机电系统对高功率密度和小型化的需求推动着永磁体必须在承受高温的同时保持高最大磁能积((BH)_max) [1]、[2]、[3]、[4]。由于其高居里温度和低温系数，SmCo基磁体被认为是250 °C以上应用的理想候选者 [5]、[6]、[7]。然而，烧结2:17型磁体（Sm-Co体系中磁能积最高者）的(BH)_max仅约为35 MGOe [8]。因此，如何突破SmCo基磁体的磁能积极限已成为首要挑战。基于软磁与硬磁材料之间的交换耦合理论，纳米复合磁体展现出超高的理论(BH)_max [9]、[10]。Neu等人[11]通过磁控溅射制备的各向异性SmCo₅/Fe薄膜实现了约55 MGOe的(BH)_max，达到了Sm-Co/Fe-Co纳米复合磁体理论最大值的约85% [12]。然而，在纳米复合磁体的量产过程中，纳米尺度上相分布和晶体学取向的精确控制具有挑战性，阻碍了(BH)_max达到其理论值。通过热变形和压力诱导，可实现非晶前驱体中硬磁相的取向结晶，从而制备出各向异性块状Sm-Co/Fe-Co纳米复合磁体，其(BH)_max为28 MGOe [13]。一种多硬相各向同性SmCo/Fe-Co纳米复合磁体被发现，其中SmCo₅（1:5相）作为主硬相，SmCo₇（1:7相）、SmCo₃（1:3相）和Sm₂Co₁₇（2:17相）作为次硬相 [14]、[15]。该磁体的(BH)_max超过25 MGOe。然而，其多硬相互作用的内在机制尚未被明确阐明。这表明，除织构度之外，相组成的精确控制也是制备高性能纳米复合磁体的决定性因素。

对于具有高磁晶各向异性的1:5相，其交换耦合距离(D_ex)仅约为5.3 nm，远小于软磁相的晶粒尺寸 [16]。由于用作原始软磁相的Fe粉具有良好的延展性，球磨前驱体中Fe-Co的晶粒尺寸通常保持在约10 nm左右 [17]、[18]、[19]。这种尺寸不匹配导致软磁相无法被完全交换耦合，从而有利于其内部反磁化核的形成。为增强软磁相与硬磁相之间的交换耦合，一种可行策略是调节硬磁相，例如增大其交换长度。Sm-Co合金可形成具有不同晶体结构和磁性能的各种相 [20]。其中，1:7相同时具有高饱和磁化强度(M_s)和相对较强的磁晶各向异性，其D_ex可达8.1 nm [16]。这一较大的长度使其能够与较大的软磁晶粒有效耦合。Quan等人[16]构建了一种梯度多相结构，其中Fe-Co相首先与具有较大D_ex的1:7或2:17相发生直接交换耦合。随后，具有高K_u的相（如1:5或1:3相）与相邻的2:17/1:7相耦合。这种结构使软磁相能够与硬磁相完全交换耦合，同时外围高矫顽力相提供有效的磁畴壁钉扎。然而，硬磁相组成的精确调控仍然具有挑战性，主要是因为1:7相——交换耦合的关键相——处于亚稳态，其含量难以调控。

在本工作中，我们建立了Fe含量如何支配亚稳态1:7相稳定性并进而引导Sm-Co-Fe磁体中纳米复合相演化的机理认识。首先通过第一性原理计算研究了Fe取代对1:7相相稳定性和本征磁性能的影响。这一理论研究为构建以1:7相为主相的微观结构奠定了基础。作为概念验证，设计了一系列Sm(Co_1-xFe_x)_6.1合金。通过改变Fe含量，精确调控了软磁相和硬磁相的组成及其磁性能。通过对合金的铸态、球磨态和退火态进行微观结构分析，阐明了Fe含量对相结构和磁性能的双重效应。

章节摘要

计算与实验

为了研究Fe取代1:7相中Co原子的影响，采用Vienna Ab initio Simulation Package（VASP）[21]进行了密度泛函理论（DFT）计算。计算采用了投影缀加平面波（PAW）方法 [22]，并以Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）形式的广义梯度近似（GGA）作为交换关联泛函 [23]。对于结构弛豫和静态自洽计算，截断能为

结果与讨论

在Sm-Co-Fe纳米晶磁体中，Fe原子容易固溶于Sm-Co相中，因此有必要明确Fe含量对Sm(Co, Fe)相形成的影响。根据先前的理论计算，1:5相中Fe含量的增加会提高其形成能(E_form)，导致相结构稳定性降低 [26]。相反，在1:3相中用少量Fe取代Co原子可略微增强其相稳定性 [25]。然而，

结论

总之，本工作通过结合第一性原理计算与实验表征，揭示了Fe对Sm-Co/Fe-Co纳米复合磁体软/硬磁相组成演变和磁性能的双重调控效应。第一性原理计算预测，Fe取代可稳定1:7相直至70 at.%，形成能在约30 at.% Fe取代时达到最小值。这为

CRediT作者贡献声明

Wangchuan Xiao（肖王川）：撰写——审稿与编辑，监督指导。Qiang Zheng（郑强）：撰写——审稿与编辑，监督指导，概念构思。Juan Du（杜娟）：撰写——审稿与编辑，项目管理，资金获取。Yingzhengsheng Huang（黄盈正生）：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿撰写，验证，软件，数据整理。Qiyao Geng（耿奇尧）：软件，调查研究，形式分析。Wei Quan（权伟）：可视化，资源，方法学。Longfei Ma（马龙飞）：可视化，调查研究，形式分析

数据可用性

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利益冲突

作者声明不存在利益冲突。

竞争利益声明

? 作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能被认为会影响本论文所报告的工作。

致谢

本工作得到国家重点研发计划（编号：2023YFB3507600）和国家自然科学基金（编号：U23A20549）的资助。作者感谢东北大学胡勇教授授权使用VASP程序。

Yingzhengsheng Huang|Qiyao Geng|Wei Quan|Longfei Ma|Wangchuan Xiao|Qiang Zheng|Juan Du