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化学压力诱导稀土永磁材料“变身”超因瓦合金

发布时间:2021-08-09 17:50:27   作者:
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稀土永磁材料是上个世纪七八十年代发现的一类硬磁金属间化合物,广泛应用于交通运输、电力、信息、医疗、航天等行业。但稀土永磁材料多为金属间化合物,机械加工性能差,温度稳定性低。因瓦合金是一类零(低)热膨胀金属材料,在国防、航天、精密机械、液化天然气输运等领域有重要应用。目前使用的因瓦合金力学强度低,零膨胀温度窗口窄,迫切需要发展宽温区“超因瓦合金”(温区宽于200 K,且涵盖室温)。北京科技大学固体化学研究所、北京市高精尖材料基因工程中心邢献然教授团队在稀土永磁材料的反常热膨胀行为研究方面取得重要进展,制备出多种性能优良的超因瓦合金

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1 (a)Ho2(Fe,Co)17化合物磁结构;b)Fe/Co亚晶格磁矩随温度的变化;(c)Ho2(Fe,Co)17合金热膨胀系数调控d)458K宽温区零热膨胀合金

固体化学研究所博士研究生曹宜力同学等用化学压力的方法,在经典稀土永磁化合物R2Fe17引入部分Co原子(R=稀土元素),制备出单相负热膨胀Ho2(Fe,Co)17磁性合金,中子衍射确定其为亚铁磁结构(如图1a所示)。Co占位到Fe亚晶格中产生化学负压,Fe原子3d轨道的成键状态明显变化,晶格与磁的耦合作用增强了Fe原子磁矩,提高了居里温度,实现了负热膨胀到正热膨胀的连续调控,并得到一系列宽温区零热膨胀金属材料,其中Ho2Fe16Co的零热膨胀区间更是达到了458 K 3-461 K,如图1所示)。

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2(a)Ho0.04Fe0.96双相合金的同步辐射XRD图谱;(b)零膨胀双相合金的力学性能;(c)中子原位荷载实验测定H相和α相力学行为;(d)双相合金的TEM照片。

然而,此类单相零膨胀金属材料表现固有的脆性,机械加工性能急需改善。固体化学所博士研究生余成意同学、林鲲教授等利用一步共晶反应法,在具有优异塑性的α-Fe相中引入4 at.%的稀土Ho金属,生成了具有硬的负热膨胀Ho2Fe17金属间化合物(H相)和软的正膨胀α-Fe两相共晶(图2a所示)。所制备的零膨胀双相合金力学性能显著提升,压缩强度近800MPa,塑性明显改善(图2b所示)。两相通过相界面作用产生化学压力,负热膨胀稀土相Hα-Fe相施加化学负压力,提高合金的强度;α-Fe相对稀土相施加正化学压力,产生的缺陷和位错增强了塑性,正负两相通过界面的化学压力协同作用成零膨胀合金(如图2c2d所示)。该合金的零热膨胀具有宽温区稳定和优异的循环性能,克服了零膨胀与强韧化超因瓦合金难以兼容的问题,有潜在的应用价值。

成果以“R2(Fe,Co)17宽温区零膨胀的超因瓦属性(Ultrawide Temperature Range Super-Invar Behavior of R2(Fe,Co)17 Materials (R = Rare Earth))”和“具有塑性的低成本轴向零膨胀双相合金(Plastic and Low-cost Axial Zero Thermal Expansion Alloy by A Natural Dual-phase Composite)”为题,近期分别发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)和《自然-通讯》(Nature Communications) 杂志上。

论文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.055501 

https://www.nature.com/articles/s41467-021-25036-1

 

该工作与国内外相关单位合作完成,得到国家自然科学基金委、北京市高精尖材料基因工程中心、科技部、教育部等项目资助。


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