需要結合不同物理性質和功能的燕山材料來滿足日益增長的節能、節約資源和改善人類健康的大學全球需求。例如，北航抗癌藥物需要具有靶向和成像能力的最新材料，植入材料不僅需要結構可靠性，料牛還需要生物相容性。燕山同樣，大學軟體機器人中的北航人造肌肉需要同時保證高能效和良好的靈活性。在消耗全球40%以上電力的最新傳感和驅動應用中，對多功能的料牛需求變得尤其明顯。需要一種單一的燕山多功能材料來滿足關鍵標準，如效率、大學精度、北航可靠性和安全性。最新一種具備高能量密度、料牛高電阻率和優異的熱穩定性的鐵磁材料是這些應用中至關重要的材料之一。然而，傳統合金設計理念常常難以克服多功能性權衡的難題。通過添加合金元素來改善一個方面，總是會損害其他重要性能，從而大大限制材料的性能。此外，復雜的合金設計使材料制造變得復雜，成本高，資源浪費。對合金元素需求的增加不僅增加了合金金屬生產過程中的能源消耗，而且導致二氧化碳排放量增加，從而加劇了環境問題。具有多功能的材料對社會產生了巨大的影響。然而，無法克服多種功能權衡限制了下一代多功能磁行材料的發現。
與傳統的合金設計理念不同，近日，燕山大學張湘義教授、北京航空航天大學張海天教授在Science期刊上發表題為“Fast fabrication of a hierarchical nanostructured multifunctional ferromagnet”的文章，報道了一種分層納米結構(HNS)策略，以同時打破材料中的多種性能權衡。使用鐠鈷(PrCo5)鐵磁體作為概念驗證，所得的HNS優于當代高溫鐵磁體，電阻率提高了50%~138%，同時實現了最高的能量密度。該策略還實現了出色的矯頑力熱穩定性(-0.148% /℃) - 這是設備精度和可靠性的關鍵特性，超越了現有的商用稀土磁體。多功能性源于引入的納米分級結構，它激活了多種微觀機制來抵抗疇壁移動和電子傳輸，為多功能材料提供了一種先進的設計理念。
圖1 HNS 的概念是創造多功能鐵磁材料? 2024 AAAS
圖2 HNS材料的微觀結構表征? 2024 AAAS
圖3新型HNS材料的磁性能和電性能? 2024 AAAS
圖4 HNS PrCo5材料的磁化反轉? 2024 AAAS
與傳統的合金化設計策略不同，本文展示了一種HNS設計概念，該概念通過HNS誘導的新興物理機制，克服了在創建多功能材料時的多重權衡，其中通過納米多級結構的豐富界面效應激活了多樣化的功能機制。該HNS策略導致了一類多功能高溫鐵磁材料的發現，這些材料具有高能量積，大電阻率和優越的矯頑力熱穩定性的特殊組合，超過了現有的高溫鐵磁材料。這一成就打破了一個長期存在的困境，即鐵磁材料的基本特性只能以犧牲彼此為代價來增強。與傳統電機相比，HNS鐵磁體中高能量密度和大電阻率的不尋常組合導致驅動電機的渦流損耗從161.1 W/kg減少到 72.1 W/kg，工作溫度下降 ~27℃，實驗結果進一步證明了這一點，有助于提高電動汽車的效率和安全性。此外，同時具有出色的矯頑力熱穩定性，在特殊傳感器、環行器和執行器中開辟了潛在的應用。所有這些設備都需要高精度和可靠性。
盡管這是一項概念驗證研究，側重于通過工程HNS同時操縱疇壁運動和電子傳輸，但基本概念可以擴展到同時控制聲子傳輸和光傳播以及反應物的傳輸。這應該使策略通常適用于其他材料系統，以產生理想的多功能性，包括鐵電、熱電和催化材料，在這些材料中，需要克服多種相互沖突的特性。此外，基于焦耳熱的約束變形技術為創建具有可調納米級和原子級特征的塊體HNS材料提供了一個快速制造平臺，并促進了下一代多功能材料的技術應用。
本文由小藝撰稿
原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp2328
