Science|一种多功能特性新材料的重大突破

燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室极端变形研究中心张湘义教授团队与国内研究团队合作，提出了一种多级纳米结构（HNS）的策略，成功破解了永磁材料中多种内在的性能冲突，实验发现了多功能铁磁体。合成的HNS铁磁体的性能优于当代高温永磁体。其电阻率增加了50%至138%，并获得了最高的能量密度；另外，其矫顽力热稳定性优于现有的稀土永磁材料。研究成果以“多级纳米结构多功能铁磁体的快速制备”为题（Fast fabrication of a hierarchical nanostructured multifunctional ferromagnet），于2024年8月8日发表于Science期刊[Science Vol. 385, No. 6709]，论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp2328。

具有多功能特性的新材料对社会发展将产生巨大的影响。在消耗全球40%以上电力的电机及驱动器应用中，对多功能材料的需求尤为迫切。铁磁材料是实现上述应用的关键材料。然而，在铁磁材料中，高的饱和磁化强度和大的矫顽力之间、高能量密度与高电阻率和高热稳定性之间通常是相互排斥的。提高一种性能，往往以牺牲其它关键性能为代价。这些基本物理性能之间的倒置关系，使铁磁材料难以获得多功能特性。这种内在的多重性能冲突（trade-offs），限制了新一代多功能材料的发现。

研究团队提出了一种HNS设计策略。团队采用简单的二元PrCo5合金为模型材料，通过制造丰富、有序的HNS，协同操纵了具有内在矛盾的能量密度、电阻率和磁热稳定性，破解了铁磁体中内在的多种性能冲突。采用该策略制备的HNS永磁体同时具有高的能量密度、大的电阻率和高的矫顽力热稳定性，优于现有的高温铁磁体。除了控制材料的电子输运和畴壁移动，该HNS策略还可用来控制声子传输和光传播以及反应物的传输，发展下一代多功能材料。

与传统的复杂合金设计理念不同，该HNS策略可用于简单的二元合金，无需添加其它合金元素。因此，节约资源，简化了材料的制造过程，尤其是避免了添加合金元素带来的关键性能的恶化。为了获得理想的多级纳米有序结构，研究团队创建了具有鲜明特色的、基于焦耳热加热的高压强约束热变形技术。该技术能够在几秒钟内快速合成完全致密的块体材料，并实现纳米尺度和原子尺度结构的可控构筑和结构特性的有效控制。

多级纳米结构(HNS)的设计策略和多功能铁磁体的示意图

该项研究结果表明，HNS策略能有效解决多功能材料合成中面临的巨大挑战。建立的高压强约束热变形技术为合成具有纳米尺度结构特征的块体材料提供了一个快速制造平台，对下一代多功能材料的发展和应用具有重要意义。该技术也可用于发现传统制备技术无法获得的各种亚稳态结构和亚稳相材料。

该工作得到国家自然科学基金(51931007，U22A20116，52071279，52271236)和国家重点研发计划(2022YFB3505600)等项目的资助。相关技术发明获中国、美国和日本发明专利授权。燕山大学化迎新博士和李晓红教授为该论文的共同第一作者。