在國家自然科學基金項目（批準號：51931007、U22A20116、52071279和52271236）等資助下，燕山大學張湘義教授團隊與北京航空航天大學、北京工業(yè)大學、香港城市大學和中國科學院寧波材料技術與工程研究所等研究團隊合作，在多功能鐵磁材料研究方面取得突破性進展，實驗發(fā)現(xiàn)了多功能鐵磁體。相關成果以“一種多級納米結構多功能鐵磁體的快速制備 (Fast fabrication of a hierarchical nanostructured multifunctional ferromagnet )”為題，于2024年8月8日發(fā)表在《科學》(Science)期刊上。論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp2328。

高性能永磁材料是電能和機械能轉換的關鍵材料，因而成為電機的核心材料。當前，電機消耗了全球約40%的電力，其能量效率只需提高1%都將對解決全球能源、環(huán)境和生態(tài)問題產(chǎn)生重要的影響。為此，要求永磁材料具有盡可能高的能量密度（以提高能量轉換效率）、高的電阻率（減少渦流損耗）和高的熱穩(wěn)定性來提高器件的可靠性。但是，這些功能特性通常相互矛盾，如同魚和熊掌不可兼得。例如，高性能鐵磁體都是優(yōu)良的導體，通常具有低的電阻率。因此，鐵磁體的高能量密度與高電阻率在本質上是互斥的，不可同時獲得。另外，永磁材料在磁化態(tài)下處于亞穩(wěn)態(tài)。為了提高它的磁熱穩(wěn)定性人們通常采用復雜的合金化途徑，通過添加大量的非磁性元素或昂貴的重稀土金屬來抑制其磁化反轉過程。這不可避免地降低材料的飽和磁化強度，導致低的能量密度。因此，對于永磁材料而言，同時獲得高能量密度、高電阻率和高熱穩(wěn)定性被人們長期認為是一件不可能的事。它一直是鐵磁材料領域的一個巨大的科學和技術挑戰(zhàn)。

針對這一挑戰(zhàn)性難題，該項研究變革傳統(tǒng)的復雜合金化設計思路，巧妙地采用多級納米結構（HNS）的設計策略，在簡單二元PrCo5合金中引入高密度的界面（晶界和層錯）和局域原子有序變化，激活了多種微觀機制來同時阻止疇壁移動和電子輸運，成功破解了永磁材料中長期存在的、多個內在的性能沖突（trade-offs），實驗發(fā)現(xiàn)了多功能永磁體。該磁體具有高的能量密度、高的電阻率和高的矯頑力熱穩(wěn)定性，優(yōu)于當代*先進的高溫永磁體；其矯頑力熱穩(wěn)定性遠高于現(xiàn)有的商業(yè)稀土永磁材料。該HNS設計理念具有普適性，適用于其他結構和功能材料。研究結果為下一代多功能材料的發(fā)展提供了全新的理念和方向。

為了獲得理想的HNS有序結構，研究團隊創(chuàng)建了具有特色的高壓強約束熱變形技術。該技術能快速（秒級時間）制備完全致密的塊體納米材料，并實現(xiàn)納米尺度和原子尺度結構的可控構筑，為塊體多級納米材料的可控制備提供了一個通用平臺。這對下一代多功能材料的發(fā)展具有重要的意義。另外，該技術也可用于發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)制備技術無法獲得的亞穩(wěn)態(tài)結構和亞穩(wěn)相，促進先進亞穩(wěn)材料的發(fā)展。