Dy-Cu擴散製備的宏觀 '核-殼' 熱變形Nd-Fe-B磁體磁性能及其近表面和中心區域微結構 (B) ; 宏觀層狀結構設計熱變形磁體的複合多層示意圖及退磁曲線 (C) ; 以及具有耦合作用的複合結構中低矯頑力層 (a,b,c,d) , 低矯頑力磁體 (e,f,g,h) 和高矯頑力磁體 (i,j,k,l) 在反磁化過程中的疇結構演變 (D) , 顯示複合多層結構中由於高矯頑力層的磁耦合使低矯頑力層產生較強的 '釘紮作用' 獲得了較強的抗退磁能力
在稀土永磁材料領域, 利用磁性相在納米或亞微米等微觀尺度下的耦合機制研究開發宏觀磁均一的磁性材料工藝已較為成熟, 然而對於更大尺度範圍內磁耦合現象的研究, 尤其是利用這種長程耦合機制, 設計, 開發新型高性能永磁材料的報道較少. 近日, 中國科學院寧波材料技術與工程研究所稀土磁性功能材料實驗室永磁研究組, 通過結構設計調控磁性相間長程磁耦合作用, 從而實現微觀到宏觀尺度 '軟' 和 '硬' 相複合, 製備出具有複合結構的新型高性能永磁材料, 並很好地詮釋了稀土永磁材料體系中用短程交換耦合難以解釋的諸多磁學問題.
針對熱變形Nd-Fe-B磁體原始粉末顆粒大晶粒尺寸小的特點, 研究組首先利用富含La, Ce等高丰度稀土的永磁粉末在幾微米到幾十微米間實現與Nd-Fe-B粉末的有效耦合, 成功製備出宏觀磁性能優異的高La, Ce熱變形磁體: 當30wt.%混合稀土取代基礎上磁體最大磁能積
達43.5MGOe, 矯頑力達1.07T; 當20wt.%Ce取代時, 最大磁能積
達39.1MGOe, 矯頑力達1.20T.
繼該工作之後, 研究人員利用 (NdPr) -Cu和Dy-Cu共熔合金擴散技術, 分別製備具有宏觀 '核-殼' 結構的無重稀土高矯頑力熱變形Nd-Fe-B磁體和高磁能積熱變形Nd-Fe-B磁體. 該結構在元素分布和晶粒尺寸等方面表現出特有的梯度結構, 梯度範圍介於2-6mm. 然而, 磁體整體磁性能並未因宏觀 '核-殼' 結構的產生而出現明顯的失耦現象, 相反磁行為表現出良好的一致性, 這從毫米尺度證明磁體存在的強長程磁耦合作用, 如圖A, B所示.
為進一步驗證和利用這種長程耦合作用, 研究人員選取內稟磁性差異顯著的兩種磁性相, 藉助宏觀層狀結構設計來分析實現磁性相間的多尺度耦合, 並在實驗基礎上, 找到亞毫米量級上兩相的最佳耦合距離, 製備出性能優異的熱變形Nd-Fe-B磁體, 如圖C, D.
通過多尺度條件下的磁性能和結構表徵, 揭示長程靜磁耦合作用可突破納米尺度限制, 在微米或毫米範圍內均能實現很好的耦合作用. 這種磁學特點為設計和製備新型高性能熱變形Nd-Fe-B材料提供了新思路. 相關研究成果相繼發表在Applied Physics Letters, Scientific Reports, Journal of Alloys and Compounds和Journal of Magnetism and Magnetic Materials上, 並申請國家發明專利兩項. 研究工作受到了國家重點研發計劃和國家自然基金等的支援.
