需要結(jié)合不同物理性質(zhì)和功能的燕山材料來(lái)滿足日益增長(zhǎng)的節(jié)能、節(jié)約資源和改善人類健康的大學(xué)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(jié)構(gòu)可靠性，料牛還需要生物相容性。燕山同樣，大學(xué)軟體機(jī)器人中的北航人造肌肉需要同時(shí)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(qū)動(dòng)應(yīng)用中，對(duì)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(lái)滿足關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)，如效率、大學(xué)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(yōu)異的熱穩(wěn)定性的鐵磁材料是這些應(yīng)用中至關(guān)重要的材料之一。然而，傳統(tǒng)合金設(shè)計(jì)理念常常難以克服多功能性權(quán)衡的難題。通過(guò)添加合金元素來(lái)改善一個(gè)方面，總是會(huì)損害其他重要性能，從而大大限制材料的性能。此外，復(fù)雜的合金設(shè)計(jì)使材料制造變得復(fù)雜，成本高，資源浪費(fèi)。對(duì)合金元素需求的增加不僅增加了合金金屬生產(chǎn)過(guò)程中的能源消耗，而且導(dǎo)致二氧化碳排放量增加，從而加劇了環(huán)境問(wèn)題。具有多功能的材料對(duì)社會(huì)產(chǎn)生了巨大的影響。然而，無(wú)法克服多種功能權(quán)衡限制了下一代多功能磁行材料的發(fā)現(xiàn)。
與傳統(tǒng)的合金設(shè)計(jì)理念不同，近日，燕山大學(xué)張湘義教授、北京航空航天大學(xué)張海天教授在Science期刊上發(fā)表題為“Fast fabrication of a hierarchical nanostructured multifunctional ferromagnet”的文章，報(bào)道了一種分層納米結(jié)構(gòu)(HNS)策略，以同時(shí)打破材料中的多種性能權(quán)衡。使用鐠鈷(PrCo5)鐵磁體作為概念驗(yàn)證，所得的HNS優(yōu)于當(dāng)代高溫鐵磁體，電阻率提高了50%~138%，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了最高的能量密度。該策略還實(shí)現(xiàn)了出色的矯頑力熱穩(wěn)定性(-0.148% /℃) - 這是設(shè)備精度和可靠性的關(guān)鍵特性，超越了現(xiàn)有的商用稀土磁體。多功能性源于引入的納米分級(jí)結(jié)構(gòu)，它激活了多種微觀機(jī)制來(lái)抵抗疇壁移動(dòng)和電子傳輸，為多功能材料提供了一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念。
圖1 HNS 的概念是創(chuàng)造多功能鐵磁材料? 2024 AAAS
圖2 HNS材料的微觀結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)? 2024 AAAS
與傳統(tǒng)的合金化設(shè)計(jì)策略不同，本文展示了一種HNS設(shè)計(jì)概念，該概念通過(guò)HNS誘導(dǎo)的新興物理機(jī)制，克服了在創(chuàng)建多功能材料時(shí)的多重權(quán)衡，其中通過(guò)納米多級(jí)結(jié)構(gòu)的豐富界面效應(yīng)激活了多樣化的功能機(jī)制。該HNS策略導(dǎo)致了一類多功能高溫鐵磁材料的發(fā)現(xiàn)，這些材料具有高能量積，大電阻率和優(yōu)越的矯頑力熱穩(wěn)定性的特殊組合，超過(guò)了現(xiàn)有的高溫鐵磁材料。這一成就打破了一個(gè)長(zhǎng)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(jià)來(lái)增強(qiáng)。與傳統(tǒng)電機(jī)相比，HNS鐵磁體中高能量密度和大電阻率的不尋常組合導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證明了這一點(diǎn)，有助于提高電動(dòng)汽車的效率和安全性。此外，同時(shí)具有出色的矯頑力熱穩(wěn)定性，在特殊傳感器、環(huán)行器和執(zhí)行器中開辟了潛在的應(yīng)用。所有這些設(shè)備都需要高精度和可靠性。
盡管這是一項(xiàng)概念驗(yàn)證研究，側(cè)重于通過(guò)工程HNS同時(shí)操縱疇壁運(yùn)動(dòng)和電子傳輸，但基本概念可以擴(kuò)展到同時(shí)控制聲子傳輸和光傳播以及反應(yīng)物的傳輸。這應(yīng)該使策略通常適用于其他材料系統(tǒng)，以產(chǎn)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(shù)為創(chuàng)建具有可調(diào)納米級(jí)和原子級(jí)特征的塊體HNS材料提供了一個(gè)快速制造平臺(tái)，并促進(jìn)了下一代多功能材料的技術(shù)應(yīng)用。
本文由小藝撰稿
原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp2328
