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 【引言】

當(dāng)前，稀土永磁釹鐵硼（Nd-Fe-B）已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在生活的方方面面，諸如磁懸浮列車、電動(dòng)汽車、風(fēng)力發(fā)電、音響等。然而燒結(jié)釹鐵硼成品的矯頑力卻只有理論值（斯托納—沃爾法特極限）的20-30% （通常稱為布朗悖論），這嚴(yán)重限制了釹鐵硼的應(yīng)用。現(xiàn)有理論認(rèn)為，燒結(jié)釹鐵硼的矯頑力主要由在退磁過程中晶粒邊界附近產(chǎn)生的反向磁疇所需形核場決定。因此對晶粒邊界如何影響矯頑力進(jìn)行三維定量分析尤其重要，這樣不僅可以加深對稀土永磁矯頑力機(jī)制的了解，還對實(shí)踐生產(chǎn)有指導(dǎo)意義。

【成果簡介】

近日，悉尼大學(xué)鄭榮坤副教授（通訊作者）和第一作者陳翰笙博士與團(tuán)隊(duì)成員使用背散射衍射技術(shù)、原子尺度三維原子探針技術(shù)、以實(shí)驗(yàn)結(jié)果為模擬參數(shù)擬合基礎(chǔ)的微磁學(xué)模擬技術(shù)報(bào)道了在燒結(jié)釹鐵硼中由于在納米尺度下成分不均勻的晶所導(dǎo)致的矯頑力進(jìn)一步減低，并對晶粒邊界成分和矯頑力進(jìn)行了三維定量分析。研究表明在燒結(jié)釹鐵硼中的晶粒邊界中鐵磁性元素（鐵和鈷）在70 nm的范圍內(nèi)從67 at.%減少至10 at.%。這種成分不均勻的晶粒邊界附近產(chǎn)生反向磁疇所需要的形核場比含有同等鐵磁性元素含量的均勻的晶粒邊界產(chǎn)生反向磁疇所需要的形核場小27%。該成果不僅對工業(yè)生產(chǎn)，諸如納米尺度下控制晶粒邊界成分結(jié)構(gòu)，具有指導(dǎo)意義， 同時(shí)本文所采用的分析方法也可以應(yīng)用在其他磁性材料的成分與磁性性能的關(guān)系研究上。該研究成果以“Coercivity degradation caused by inhomogeneous grain boundaries in sintered Nd-Fe-B permanent magnets”為題刊登出版在Physical Review Materials上。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1：燒結(jié)釹鐵硼在不同溫度 （280、300、320、340和360 K）下的磁滯回線。

圖2：燒結(jié)釹鐵硼在微米尺度下的顯微結(jié)構(gòu)。

(a) 二次電子圖；
(b) 背散射電子圖；
(c) 標(biāo)定的不同相的相圖（2:14:1主相用紅色標(biāo)定，富稀土相用藍(lán)色標(biāo)定，白色為未標(biāo)定區(qū)域，黑色線條畫出了大角晶界）。
比例尺為20 微米

圖3：不均勻晶界在原子尺度下的三維原子探針結(jié)果，分別顯示了鐵、釹、鐠、硼、鈷、銅、鎵和鋁的在主相晶粒（MG1和MG2）和晶界（GB）下的分布。

邊界尺度為 ~70 nm × ~70 nm × ~190 nm

圖4：不均勻晶界在原子尺度下的三維原子探針結(jié)果的定量分析。發(fā)現(xiàn)燒結(jié)釹鐵硼中的不均勻晶界中鐵磁性元素（鐵和鈷）在70 nm的范圍內(nèi)從67 at.%減少至10 at.%。

(a) 鐵原子的三維分布以及鐵的等含量曲面 (74.8 at.%)；
(b) 在紅色和藍(lán)色立方體中沿箭頭方向的鐵、釹、鐠的成分變化分布；
(c) 在綠色立方體中沿箭頭方向的鐵、釹、鐠和鈷的成分變化分布。
邊界尺度為 ~70 nm × ~70 nm × ~190 nm

補(bǔ)充材料圖2：用于進(jìn)行模擬的微磁學(xué)模型。

(a) 釹鐵硼三明治模型（主相晶粒1—10 nm寬的晶界—主相晶粒2）的示意圖，尺寸為 100 nm × 100 nm × 100 nm；
(b) 基于三維原子探針的不均勻晶界的成分變化示意圖（x-z 平面），尺寸為100 nm × 100 nm。

圖5：根據(jù)三維原子探針結(jié)果進(jìn)行的微磁學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)這種成分不均勻的晶粒邊界（粉色曲線）附近產(chǎn)生反向磁疇所需要的形核場比含有同等鐵磁性元素含量的均勻的晶粒邊界（藍(lán)色曲線）產(chǎn)生反向磁疇所需要的形核場小27%。

(a) 基于釹鐵硼三明治模型（主相晶粒1—10 nm寬的晶界—主相晶粒2）的微磁學(xué)模擬的退磁曲線，綠色、藍(lán)色、粉色和黃色曲線分別代表晶界鐵磁性元素成分為0、40 at.%、38.7 at.%（不均勻）和67 at%；
(b) 在退磁情況下，晶界鐵磁性元素成分為0的三明治模型的磁矩翻轉(zhuǎn)情況（愿意從邊界開始形成反向磁疇）；
(c) 在退磁情況下，晶界鐵磁性元素成分為67 at%的三明治模型的磁矩翻轉(zhuǎn)情況（愿意從晶界和主相晶粒的交界面開始形成反向磁疇）。
(d) 在退磁情況下，晶界鐵磁性元素成分為38.7 at.%（不均勻）的三明治模型的磁矩翻轉(zhuǎn)情況（愿意從鐵磁性元素含量較高的晶界區(qū)域和主相晶粒的交界面開始形成反向磁疇）。

圖6：對均勻晶界和不均勻晶界模擬的磁化強(qiáng)度、交換場、磁晶各向異性場、退磁場。發(fā)現(xiàn)在退磁過程中，反向磁疇更容易從低磁晶各向異性場、高交換場和高退磁場的區(qū)域產(chǎn)生。

(a) 晶界為40 at.% Fe（均勻）的三明治模型模擬的磁化強(qiáng)度、交換場、磁晶各向異性場、退磁場；
磁化強(qiáng)度、交換場、磁晶各向異性場、退磁場的范圍分別是1.17 × 10⁶, 2.29 × 10⁴, 5.51 × 10⁶和 3.35 × 10⁵ A/m
(b) 晶界為38.7 at.%（不均勻）的三明治模型模擬的磁化強(qiáng)度、交換場、磁晶各向異性場、退磁場。
磁化強(qiáng)度、交換場、磁晶各向異性場、退磁場的范圍分別是1.31 × 10⁶, 2.15 × 10⁴, 5.51 × 10⁶和 1.59 × 10⁶ A/m

【小結(jié)】
本文使用三維原子探針技術(shù)定量化研究了元素沿晶界和穿過晶界的成分變化。基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合了不同成分的晶界的飽和磁化強(qiáng)度、磁晶各向異性常數(shù)和交換常數(shù)，并定量化分析了晶界納米尺度下的成分變化對矯頑力的影響。