图 HNS设计理念(A-C)和创制的多功能铁磁体的性能(D,E)
在国家自然科学基金项目（批准号：51931007、U22A20116、52071279和52271236）等资助下，燕山大学张湘义教授团队与北京航空航天大学、北京工业大学、香港城市大学和中国科学院宁波材料技术与工程研究所等研究团队合作，在多功能铁磁材料研究方面取得突破性进展，实验发现了多功能铁磁体。相关成果以“一种多级纳米结构多功能铁磁体的快速制备 (Fast fabrication of a hierarchical nanostructured multifunctional ferromagnet )”为题，于2024年8月8日发表在《科学》(Science)期刊上。
高性能永磁材料是电能和机械能转换的关键材料，因而成为电机的核心材料。当前，电机消耗了全球约40%的电力，其能量效率只需提高1%都将对解决全球能源、环境和生态问题产生重要的影响。为此，要求永磁材料具有尽可能高的能量密度（以提高能量转换效率）、高的电阻率（减少涡流损耗）和高的热稳定性来提高器件的可靠性。但是，这些功能特性通常相互矛盾，如同鱼和熊掌不可兼得。例如，高性能铁磁体都是优良的导体，通常具有低的电阻率。因此，铁磁体的高能量密度与高电阻率在本质上是互斥的，不可同时获得。另外，永磁材料在磁化态下处于亚稳态。为了提高它的磁热稳定性人们通常采用复杂的合金化途径，通过添加大量的非磁性元素或昂贵的重稀土金属来抑制其磁化反转过程。这不可避免地降低材料的饱和磁化强度，导致低的能量密度。因此，对于永磁材料而言，同时获得高能量密度、高电阻率和高热稳定性被人们长期认为是一件不可能的事。它一直是铁磁材料领域的一个巨大的科学和技术挑战。
针对这一挑战性难题，该项研究变革传统的复杂合金化设计思路，巧妙地采用多级纳米结构（HNS）的设计策略（图），在简单二元PrCo5合金中引入高密度的界面（晶界和层错）和局域原子有序变化，激活了多种微观机制来同时阻止畴壁移动和电子输运，成功破解了永磁材料中长期存在的、多个内在的性能冲突（trade-offs），实验发现了多功能永磁体。该磁体具有高的能量密度、高的电阻率和高的矫顽力热稳定性，优于当代最先进的高温永磁体；其矫顽力热稳定性远高于现有的商业稀土永磁材料。该HNS设计理念具有普适性，适用于其他结构和功能材料。研究结果为下一代多功能材料的发展提供了全新的理念和方向。
为了获得理想的HNS有序结构，研究团队创建了具有特色的高压强约束热变形技术。该技术能快速（秒级时间）制备完全致密的块体纳米材料，并实现纳米尺度和原子尺度结构的可控构筑，为块体多级纳米材料的可控制备提供了一个通用平台。这对下一代多功能材料的发展具有重要的意义。另外，该技术也可用于发现传统制备技术无法获得的亚稳态结构和亚稳相，促进先进亚稳材料的发展。
