燕山大学/北航最新Science

需要结合不同物理性质和功能的材料来满足日益增长的节能、节约资源和改善人类健康的全球需求。例如，抗癌药物需要具有靶向和成像能力的材料，植入材料不仅需要结构可靠性，还需要生物相容性。同样，软体机器人中的人造肌肉需要同时保证高能效和良好的灵活性。在消耗全球40%以上电力的传感和驱动应用中，对多功能的需求变得尤其明显。需要一种单一的多功能材料来满足关键标准，如效率、精度、可靠性和安全性。一种具备高能量密度、高电阻率和优异的热稳定性的铁磁材料是这些应用中至关重要的材料之一。然而，传统合金设计理念常常难以克服多功能性权衡的难题。通过添加合金元素来改善一个方面，总是会损害其他重要性能，从而大大限制材料的性能。此外，复杂的合金设计使材料制造变得复杂，成本高，资源浪费。对合金元素需求的增加不仅增加了合金金属生产过程中的能源消耗，而且导致二氧化碳排放量增加，从而加剧了环境问题。具有多功能的材料对社会产生了巨大的影响。然而，无法克服多种功能权衡限制了下一代多功能磁行材料的发现。

与传统的合金设计理念不同，近日，燕山大学张湘义教授、北京航空航天大学张海天教授在Science期刊上发表题为“Fast fabrication of a hierarchical nanostructured multifunctional ferromagnet”的文章，报道了一种分层纳米结构(HNS)策略，以同时打破材料中的多种性能权衡。使用镨钴(PrCo₅)铁磁体作为概念验证，所得的HNS优于当代高温铁磁体，电阻率提高了50%~138%，同时实现了最高的能量密度。该策略还实现了出色的矫顽力热稳定性(-0.148% /℃) - 这是设备精度和可靠性的关键特性，超越了现有的商用稀土磁体。多功能性源于引入的纳米分级结构，它激活了多种微观机制来抵抗畴壁移动和电子传输，为多功能材料提供了一种先进的设计理念。

图1 HNS 的概念是创造多功能铁磁材料© 2024 AAAS

图2 HNS材料的微观结构表征© 2024 AAAS

图3新型HNS材料的磁性能和电性能© 2024 AAAS

图4 HNS PrCo₅材料的磁化反转© 2024 AAAS

与传统的合金化设计策略不同，本文展示了一种HNS设计概念，该概念通过HNS诱导的新兴物理机制，克服了在创建多功能材料时的多重权衡，其中通过纳米多级结构的丰富界面效应激活了多样化的功能机制。该HNS策略导致了一类多功能高温铁磁材料的发现，这些材料具有高能量积，大电阻率和优越的矫顽力热稳定性的特殊组合，超过了现有的高温铁磁材料。这一成就打破了一个长期存在的困境，即铁磁材料的基本特性只能以牺牲彼此为代价来增强。与传统电机相比，HNS铁磁体中高能量密度和大电阻率的不寻常组合导致驱动电机的涡流损耗从161.1 W/kg减少到 72.1 W/kg，工作温度下降 ~27℃，实验结果进一步证明了这一点，有助于提高电动汽车的效率和安全性。此外，同时具有出色的矫顽力热稳定性，在特殊传感器、环行器和执行器中开辟了潜在的应用。所有这些设备都需要高精度和可靠性。

尽管这是一项概念验证研究，侧重于通过工程HNS同时操纵畴壁运动和电子传输，但基本概念可以扩展到同时控制声子传输和光传播以及反应物的传输。这应该使策略通常适用于其他材料系统，以产生理想的多功能性，包括铁电、热电和催化材料，在这些材料中，需要克服多种相互冲突的特性。此外，基于焦耳热的约束变形技术为创建具有可调纳米级和原子级特征的块体HNS材料提供了一个快速制造平台，并促进了下一代多功能材料的技术应用。

本文由小艺撰稿

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp2328