6月11日，由中南大學(xué)、與德國馬克斯普朗克鋼鐵研究所研究團(tuán)隊(duì)（通訊作者：中南大學(xué)張勇副教授）完成的關(guān)于燒結(jié)Sm2Co17型磁體中晶界沉淀相分布及其對域壁釘扎效應(yīng)的影響的研究成果發(fā)表于《Journal of Materials Science & Technology》。該研究深入探究了燒結(jié)Sm2Co17型磁體中晶界沉淀相（GBPs）的取向依賴性分布及其對磁域壁釘扎效應(yīng)的削弱作用。該研究成果不僅為理解此類高性能稀土永磁材料的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能關(guān)系提供了新的視角，也為磁體性能的優(yōu)化與設(shè)計(jì)開辟了新路徑。
論文的研究背景
材料特性：Sm2Co17型磁體因其高居里溫度（約850°C）和優(yōu)異的抗氧化性能而被認(rèn)為是在高達(dá)550°C的高溫應(yīng)用中非常有前景的稀土永磁材料。
晶界的重要性：在稀土永磁材料中，晶界的結(jié)構(gòu)和特性對磁疇壁的釘扎效應(yīng)有重要影響，進(jìn)而影響材料的磁性能。
晶界沉淀相（GBPs）：在具有強(qiáng)纖維織構(gòu)的燒結(jié)Sm-Co和Nd-Fe-B永磁體中，GBPs的特性尚未得到充分理解。這些沉淀相的形成與分布可能與晶界幾何形態(tài)和材料的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。
磁性能優(yōu)化：為了進(jìn)一步提高燒結(jié)Sm2Co17型磁體的磁性能，需要對晶界結(jié)構(gòu)和相關(guān)的沉淀相進(jìn)行系統(tǒng)性研究，以優(yōu)化其磁性和機(jī)械性能。
強(qiáng)纖維織構(gòu)的影響：具有強(qiáng)纖維織構(gòu)的燒結(jié)Sm2Co17型磁體展現(xiàn)出卓越的磁性能，但這種織構(gòu)對GBPs的形成和分布可能有著復(fù)雜的影響。
微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能的關(guān)聯(lián)：深入理解微觀結(jié)構(gòu)特征，如GBPs和PFZs，與宏觀磁性能之間的關(guān)系，對于開發(fā)具有更優(yōu)性能的新型永磁材料至關(guān)重要。
實(shí)驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用：為了探索這些復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)特征，研究者采用了先進(jìn)的材料表征技術(shù)，包括電子顯微鏡、第一性原理計(jì)算和磁光克爾效應(yīng)觀察等。
實(shí)驗(yàn)過程
對商業(yè)化的 VACOMAX 262HR（Vacuumschmelze GmbH）Sm2Co17型燒結(jié)磁體（圓柱形，直徑和高度均為10×10毫米^3）的GBPs進(jìn)行了詳細(xì)分析。該磁體處于熱退磁狀態(tài)，名義成分是 Sm(CoBalFe23.5Cu4.9Zr1.7)7.5（原子百分比）。室溫下Br為11.7kGs、矯頑力為11.1kOe、內(nèi)稟矯頑力大于27kOe以及（BH）max為32.7MGOe。結(jié)果和討論作者報告了對商業(yè)化的VACOMAX 262HR Sm2Co17型燒結(jié)磁體的晶界沉淀相(GBPs)和無沉淀區(qū)(PFZs)的觀察結(jié)果。EBSD和SEM揭示了GBPs和PFZs的分布與晶界幾何形態(tài)及與紋理方向的密切關(guān)系。特別是，他們發(fā)現(xiàn)隨著晶界與{0001}晶面夾角的增大，連續(xù)的GBPs逐漸變?yōu)殡x散的，并且GBPs的厚度和PFZs的寬度都呈現(xiàn)出線性增加。進(jìn)一步的TEM分析顯示，GBPs由Cu富集的SmCo5和Zr富集的Smn+1Co5n?1 (n=2,3,4)化合物交替堆疊組成，而PFZs則由2:17R和中間相2:17R’組成。EDS和第一性原理計(jì)算揭示了Cu和Zr在GBPs中的具體位置，Cu主要存在于SmCo5的Co-2c位點(diǎn)形成SmCo3Cu2，而Zr則位于Smn+1Co5n?1中的Sm-6c位點(diǎn)。對GBPs形成機(jī)制的分析指出Z-板在晶界處作為GBPs生長的核心，通過從2:17R或中間相2:17R’到1:5H和Smn+1Co5n?1的轉(zhuǎn)變，GBPs得以增厚。這一過程中，從晶粒內(nèi)部到晶界的Sm、Cu和Zr的富集顯著促進(jìn)了GBPs的生長。此外，原位Fresnel Lorentz TEM成像技術(shù)被用來觀察磁域壁在晶界處的分布情況。結(jié)果表明，PFZs是磁域壁的弱釘扎點(diǎn)，磁域壁在外加磁場作用下容易在晶界處移動。原位MOKE觀察進(jìn)一步揭示了晶界對磁體磁化反轉(zhuǎn)行為的影響，發(fā)現(xiàn)磁化反轉(zhuǎn)首先在晶界處發(fā)生，隨后擴(kuò)展到晶粒內(nèi)部?？偨Y(jié)本研究通過詳細(xì)的電子顯微鏡觀察、第一性原理密度泛函理論(DFT)計(jì)算和磁光克爾效應(yīng)(MOKE)觀察，探討了具有強(qiáng)纖維織構(gòu)的Sm2Co17型燒結(jié)磁體中的晶界沉淀相(Grain Boundary Precipitates, GBPs)及其相關(guān)的無沉淀區(qū)(Precipitation-Free Zones, PFZs)?？偨Y(jié)如下：
磁體中GBPs的分布和PFZs的寬度嚴(yán)重依賴于晶界(Grain Boundaries, GBs)相對于紋理方向的幾何形態(tài)。隨著{0001}晶面和GBs之間角度的增大，連續(xù)的GBPs會變成離散的，同時，GBPs的厚度和PFZs的寬度會線性增加2.5到4倍。
GBPs是由富含Cu的SmCo5和富含Zr的Smn+1Co5n?1交替堆疊形成的。PFZs由2:17R和2:17R'相組成。在SmCo5中，Cu占據(jù)Co的2c位點(diǎn)形成SmCo3Cu2，而在Smn+1Co5n?1中，Zr位于啞鈴狀的Sm-6c位點(diǎn)，形成(Sm,Zr)n+1Co5n?1是有利的。GBPs具有[0001]GBPs//[0001]2:17R和[10?1]GBPs//[21?1?0]2:17R的取向關(guān)系(Orientation Relationships, ORs)。
GBs處的Z板(Z-plates)作為GBPs生長的核心。隨后，通過從2:17R或2:17R'向1:5H和Smn+1Co5n?1的轉(zhuǎn)變，GBPs得以增厚。從晶粒內(nèi)部到GBs的Sm、Cu和Zr的富集促進(jìn)了GBPs的生長。{0001}晶面和GBs之間的角度越大，原子到達(dá)GBs的{0001}擴(kuò)散通道就越多，導(dǎo)致離散且厚度較大的GBPs形成。
磁域壁(Magnetic Domain Walls)被GBPs所阻擋，特別是在低γ晶界的GBPs。PFZs是磁域壁的弱釘扎點(diǎn)(Weak Pinning Sites)。
通訊作者介紹
https://faculty.csu.edu.cn/zhangyong12/zh_CN/index.htm
附錄信息
論文的發(fā)表日期：2024年6月11日
發(fā)表的期刊名稱：Journal of Materials Science & Technology
論文標(biāo)題：Orientation dependent grain boundary precipitate distribution and the weakened pinning effects on domain walls in sintered Sm2Co17-type magnet
論文作者：Yong Zhang, Kangjie Chai, Weisong Wu, Pengfei Wu, Qiankun Yang, Kefu Gan, Dingshun Yan, Zhiming Li
論文的DOI鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.06.006
