稀土永磁钕铁硼应用广泛但矫顽力受限，三维定量分析至关重要

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    【引言】

    目前，稀土永磁材料钕铁硼（Nd——Fe——B）在各个领域得到了广泛的应用，包括磁悬浮列车、电动汽车、风力发电和音响设备等。但令人遗憾的是，烧结钕铁硼产品的矫顽力仅达到理论值（斯托纳—沃尔法特极限）的20——30％（通常被称为布朗悖论），这一现象极大地制约了钕铁硼的进一步应用。现有研究指出，烧结钕铁硼的矫顽力主要受到退磁时晶粒边界附近形成的反向磁畴所需的形核场所制约。鉴于此，对晶粒边界如何作用于矫顽力的三维定量分析显得尤为关键，这不仅有助于深化对稀土永磁材料矫顽力作用机理的认识，同时也对实际生产过程具有重要的指导价值。

    【成果简介】

    近期，悉尼大学的郑荣坤副教授（通讯作者）以及陈翰笙博士（第一作者）及其团队，通过应用背散射衍射技术、原子级的三维原子探针技术，以及基于实验数据拟合的微磁学模拟技术，揭示了烧结钕铁硼材料中，由于纳米尺度成分的不均匀性，导致其矫顽力有所下降。同时，他们对晶粒边界成分与矫顽力进行了三维的定量研究。研究结果显示，在烧结钕铁硼材料中，晶粒边界处的铁磁性成分（如铁和钴）含量在70纳米的尺度上从67原子百分比降至10原子百分比。这种成分分布不均的晶粒边界区域，形成反向磁畴所需的形核场，相较于成分均匀的晶粒边界，要小27%。该成果不仅对工业生产中的晶粒边界成分结构在纳米尺度下的控制提供了指导，而且本文所提出的方法亦适用于探究其他磁性材料成分与磁性性能之间的关系。该研究成果以“在Nd-Fe-B中的晶粒边界成分研究”为题，已发表在相关学术期刊上。

    【图文导读】

    图1展示了烧结钕铁硼材料在280K、300K、320K、340K和360K等不同温度条件下的磁滞回线特征。

    图2：烧结钕铁硼在微米尺度下的显微结构。

    （a） 二次电子图；

    （b） 背散射电子图；

    （c） 对不同相的相图进行了标注，其中主相以红色线条突出显示，富稀土相则以蓝色线条标明，未标定的区域以白色呈现，而大角晶界则由黑色线条勾勒出来。

    比例尺为20 微米

   

    图3展示了三维原子探针在原子尺度上对不均匀晶界的探测结果，其中铁、钕、镨、硼、钴、铜、镓和铝元素在主相晶粒（包括MG1和MG2）以及晶界（GB）中的分布情况得到了详细呈现。

    该区域的边界尺寸为——70纳米乘以——70纳米再乘以——190纳米。

    图4展示了三维原子探针对不均匀晶界的原子尺度分析结果。分析发现，在烧结钕铁硼材料中，铁磁性元素如铁和钴的含量在70纳米的尺度内显著降低，从67原子百分比降至10原子百分比。

    铁原子的空间分布情况及其等含量为74.8原子百分比的铁元素曲面。

    在红色与蓝色立方体内部，沿着箭头指示的方向，观察铁、钕、镨元素含量的具体变化和分布情况。

    在绿色立方体内部，沿着箭头指示的方向，我们可以观察到铁、钕、镨以及钴等元素的成分是如何发生变化的。

    边界尺度为 ——70 nm × ——70 nm × ——190 nm

    补充材料图2：用于进行模拟的微磁学模型。

    钕铁硼的三明治结构示意图中，主相晶粒1的宽度介于1至10纳米之间，其晶界与主相晶粒2相邻；该示意图的尺寸精确为100纳米乘以100纳米乘以100纳米。

    （b）该图展示了利用三维原子探针技术绘制的非均匀晶界成分随x-z平面变化的示意图，其尺寸精确至100纳米乘以100纳米。

    图5展示了基于三维原子探针数据进行的微磁学模拟实验，结果显示，在成分分布不均的晶粒边界（以粉色曲线表示）附近，形成反向磁畴所需的形核场，相较于成分均匀且含有相同铁磁性元素含量的晶粒边界（以蓝色曲线表示），要低27%。

   

    通过采用钕铁硼三明治结构模型（主相晶粒尺寸介于1至10纳米之间，晶界与主相晶粒2构成）进行的微磁学模拟，所得退磁曲线中，绿色、蓝色、粉色及黄色曲线分别对应于晶界中铁磁性成分含量为0、40原子百分比、38.7原子百分比（分布不均）以及67原子百分比的情况。

    在退磁状态中，对于由晶界铁磁性元素构成的、成分全为0的三明治结构，其磁矩会发生翻转，且这一翻转过程倾向于从边界处启动，进而形成反向磁畴。

    在退磁状态下，晶界处的铁磁性元素以67 at%的比例构成的三明治结构模型中，磁矩发生了翻转，这一现象首先在晶界与主晶粒的交界区域产生，形成了反向的磁畴。

    在退磁状态中，晶界处的铁磁性元素含量达到38.7原子百分比（分布不均），呈现出三明治结构的磁矩翻转现象；这一现象往往从铁磁性元素含量较高的晶界区域与主相晶粒的交界界面处开始，形成反向磁畴。

    图6展示了均匀晶界与不均匀晶界在磁化强度、交换场、磁晶各向异性场以及退磁场方面的模拟情况。研究结果显示，在退磁阶段，反向磁畴更倾向于在低磁晶各向异性场、高交换场以及高退磁场区域形成。

    对由40 at．％ Fe（均匀）构成的三明治模型中的晶界进行模拟，研究其磁化强度、交换场、磁晶各向异性场以及退磁场。

    磁化强度的数值为1.17 × 10^6 A/m，交换场的数值为2.29 × 10^4 A/m，磁晶各向异性场的数值为5.51 × 10^6 A/m，而退磁场的数值则为3.35 × 10^5 A/m。

    晶界处的磁化强度通过38.7 at．％（存在不均匀性）的三明治模型进行模拟，同时还包括了交换场、磁晶各向异性场以及退磁场。

    磁化强度的数值为1.31 × 10^6 A/m，交换场的数值为2.15 × 10^4 A/m，磁晶各向异性场的数值为5.51 × 10^6 A/m，而退磁场的数值则为1.59 × 10^6 A/m。

    【小结】

    本研究通过三维原子探针技术对元素在晶界及其穿越过程中的成分变化进行了定量分析。依据实验所得数据，对各类成分构成的晶界进行了饱和磁化强度、磁晶各向异性常数以及交换常数的拟合。同时，对晶界纳米尺度成分变化对矫顽力作用的影响进行了定量探讨。