行业资讯
1、纳米复合永磁材料的关键问题
进行纳米复合永磁材料的结构设计，发展纳米复合永磁材料可控制备技术。特别是重视发展以bottom-up化学过程+快速烧结为主导的技术路线，力争突破制备高性能的各向异性纳米复合永磁材料的技术瓶颈。研究纳米晶的生长机制、结构特征、结构稳定性和性能可靠性，从一个更深的层次来理解纳米复合永磁材料的纳米晶在生长过程中的行为及其与磁性能之间的关系。从理论上分析不同结构的纳米复合磁性材料中导致软磁相不成为反磁化核的中心而能够和硬磁相耦合在一起的临界尺寸与微观组织结构特征。探索满足实现纳米耦合的高矫顽力的硬磁新相和高饱和磁化强度的软磁新相。从实验方面调节和改变材料的交换作用强度、改变和增强材料的磁晶各向异性、饱和磁化强度，从根本建立易于实现纳米耦合的条件。研究新型可控制备技术相分离过程中亚稳相的成相规律及其与成分、温度、时效的关联性。建立纳米复合磁性材料微观组织结构与磁性能的关系模型，获得相分离后的相关联性及它们之间的磁交换作用机制和交换耦合的条件。用快速烧结制备纳米晶和热变形等工艺制备高性能的各向异性Nd2Fe14B/a-Fe纳米复合永磁材料，通过优化两相的微观组织结构和成分，以获得理想永磁性能的材料，掌握新型纳米复合结构制备的关键技术。
1）纳米复合永磁材料的结构设计和制备技术的发展
采用快淬、HDDR结合相分离法、化学合成、快速烧结制备纳米晶和热变形工艺等多种新工艺和实验手段，探索适宜可控制备纳米结构永磁材料的方法，不仅能够实现硬磁－软磁双相耦合或硬磁相间的耦合，而且实现硬磁晶粒排列取向呈现织构，以求接近或达到理论预期的高磁能积，掌握制备新型高性能纳米复合永磁材料的关键技术、获得理想的纳米复合结构与磁性能，这是本课题的创新性之处。特别是重视发展以bottom-up化学过程+快速烧结为主导的技术路线，力争突破制备高性能的各向异性纳米复合永磁材料的技术瓶颈。研究相分离与成分、温度、时效的关联性。研究相分离法、热变形工艺等非平衡过程的相形成规律及结晶过程中的晶体学生长特征，相分离的介观结构变化、相交换耦合的结构条件。掌握用上述方法制备NdFeB基、2:17相、新型Co基1:7相等为主体的纳米复合永磁材料的成分设计及工艺条件，控制纳米复合永磁材料的晶粒尺寸和微观结构，以获得永磁性能。
2）纳米复合磁性材料的磁性耦合机理
研究永磁相和软磁相实现纳米耦合的机理和条件。如：用中子衍射技术与XRD技术结合确定材料的磁性相结构和晶体结构，研究成分、结构、元素晶格占位、磁性相变、健长、夹角等结构因素与材料性能的关系。用磁力显微镜观测新相的磁畴结构，结合磁性测量研究磁畴宽度、畴壁厚度及其影响因素与耦合作用强度、磁晶各向异性、饱和磁化强度、较大磁能积等磁性参数的关系。用SEM和TEM电子显微镜观测材料中晶粒结构、取向、尺寸对磁性的影响。即综合利用各种观测手段，获得物质结构和磁性结构与材料性能的关系，为研究纳米耦合机理和优化耦合条件提供实验基础。
理论分析不同结构的纳米复合磁性材料中形成磁性交换耦合的临界尺寸；从实验上探索满足具有高矫顽力的硬磁和高饱和磁化强度的软磁相耦合的条件。本课题的创新性之一就是利用交换弹性耦合效应或纳米复合微观组织结构来改变材料的交换作用强度、磁晶各向异性、饱和磁化强度，来调节材料的交换长度lex、畴壁厚度dW、单畴临界尺寸dC以及硬磁参数k，建立易于实现纳米耦合的微观结构和条件。从实验测定的总交互作用中分离出对磁化过程有重要意义的短程交换和长程磁偶极交互作用。建立微观组织结构与磁性能的关系模型，研究其磁性交换耦合作用机制和条件，实现纳米复合微观组织结与磁性能的可控制备。
3）探索实现纳米耦合的高矫顽力和高磁能积的硬磁新相和高饱和磁化强度的软磁新相
元素周期表中常温下能够提供强磁性的金属只有Fe,Co,Ni。其中a-Fe磁性强，其原子磁矩2.2mB。Fe-Co合金的原子磁矩可提高到2.4mB。本项目将采用间隙原子效应来实现有效的磁性调制。将N、C、H等作为间隙原子加入母合金，基于间隙原子的磁体积效应和化学键效应，改变稀土－铁化合物的电子能带结构和晶场作用。同时，改变材料的磁畴结构，形成硬磁材料理想的180度畴壁的磁畴结构，探索制备新型高性能永磁相。进一步开展间隙原子效应研究，包括电子能带结构、晶场作用计算，为有效地调控材料的内禀磁性提供依据。同时拟把间隙原子效应研究扩展到软磁材料，寻求饱和磁化强度高于Fe-Co合金的间隙型软磁材料，探索新型的高矫顽力兼高磁能积的双相纳米耦合材料。这是本课题的另一创新点。
4）高性能永磁纳米复合材料的化学合成及磁体的应用研究
基于交换弹性耦合机理，在理论分析的基础上，研究发展可控制备纳米尺度硬磁与软磁耦合复合磁体的新技术和新方法。采用bottom-up化学过程、快淬、速凝等方法制备永磁/软磁各向异性的纳米耦合磁粉或磁体，探索新工艺对磁粉性能的影响。综合各种方法的特点发展出简单实用的生产工艺。优化工艺条件，制备出高性能的硬磁与软磁耦合各向异性磁粉/磁体。以此为基础，研究用有机和无机纳米薄膜包覆对磁粉综合性能的影响，同时开展永磁/软磁的纳米耦合研究，以期制备出更高磁性能的各向异性纳米复合稀土永磁磁粉。目标是制备出新型高性能、温度稳定性好的耦合纳米复合磁粉/磁体，为研制更新换代的新型永磁磁体和器件提供新型材料。
5）多功能异质纳米复合材料的基础问题研究
化学控制合成具有大联结界面及复合磁光性质的多功能异质复合纳米颗粒，深入理解异质成核生长机理，研究复合粒子的电、磁、光、催化等性质，组元介质间的相互作用、电磁传输，以及异质相互作用对复合粒子整体物理性质的影响，结构与性质的关系等问题。研究交换耦合相互作用等物理现象，研制多功能纳米复合材料如磁光复合材料和高性能磁性材料。
6）制备纳米复合结构元器件的关键技术
采用新型纳米复合磁性材料，通过微观组织结构和制备工艺的优化与控制，解决其取向成型、烧结和磁性能控制等关键制备技术，制备中小型永磁电机用定子和转子等磁性元器件，使其剩磁、矫顽力温度系数和稳定性等磁性能指标达到或超过目前广泛使用的传统永磁器件。研制新一代高性能整体辐向多极永磁环，有效克服目前广泛使用拼接磁环电机磁极波动大、效率较低的缺点，使其磁性性能、极间磁密均匀性和力学性能高于目前的传统永磁器件，进一步推动永磁电机向高稳定性、高效率和小型化方向发展。
2、纳米复合软磁材料关键问题
建立并完善新型纳米颗粒、纤维增强以及两者共同增强的软磁复合材料的可控制备技术。研究纳米软磁复合材料的微观结构、力学性能和软磁性能相互关系。阐明材料的尺寸、非晶纳米晶复相结构与巨磁阻抗效应的关系。研究纳米尺度下材料的磁导率、阻抗和损耗等性能参数，与化学成分、晶格结构、磁晶各向异性常数、磁致伸缩系数、晶粒尺寸及粒度分布的关系。阐明非晶软磁合金的结构演化规律、纳米晶的成核、长大与稳定机制，建立微观结构演化与性能之间的相互关系及其理论模型。探索提高软磁复合材料使用性能的途径，尤其是其在高温条件下结构和磁性能的稳定性、材料的蠕变性能等，奠定软磁复合材料器件设计和使用的基础。
1）具有良好的室温和高温力学和软磁性能的新型纳米复合软磁材料制备
建立并完善新型纳米复合软磁材料的制备技术。研究纳米颗粒、纤维增强以及两者共同增强的软磁复合材料。研制成功具有良好的室温和高温力学和软磁性能的新型纳米软磁复合材料，指标为：500oC温度下，屈服强度s0.2>700 MPa; 磁感应强度>20 kG；5000Hz时涡流损耗<480 W/kg；蠕变<5´10-6 h/r (550oC, 600MPa, 5000 小时)；室温电阻率：40－60mW×cm。建立软磁复合材料高温性能测量方法和标准。建立微观结构参数、工艺参数与力学和软磁性能(尤其是高温性能)的相互关系，探索微观结构对磁畴运动的影响，为高温软磁复合材料组织结构控制、材料设计与制备提供理论依据。研究材料微观组织和性能高温演变规律。建立系统的微观结构参数、磁畴相互作用和性能之间定量或半定量的关系。
2）Co基非晶合金纳米晶化及其巨磁阻抗效应
研究Co基软磁非晶合金经晶化处理形成纳米晶结构后的软磁性能及其巨磁阻抗效应。优化晶化工艺，以使纳米复合材料对微弱外磁场（0-46.5A/m）有特别灵敏的响应（灵敏度达到：2440.2%/Am-1，即尖刺巨磁阻抗效应）。根据巨磁阻抗效应的各向异性模型，通过对系列纳米晶化样品的巨磁阻抗效应曲线的计算机拟合，研究产生尖刺巨磁阻抗效应的普适条件，建立尖刺巨磁阻抗效应特性和退火晶化工艺间定量或半定量的关系。
3）高饱和磁化强度纳米软磁合金的制备与形成机制
传统纳米软磁合金纳米晶形成机理在于两个原因：（1）在室温下与Fe元素几乎不互溶的Cu元素起生成纳米晶核的作用;（2）高熔点的Nb元素则阻止了纳米晶粒的长大。本项目的新型高饱和磁化强度铁基纳米软磁合金为无Nb低Cu材料，新添加的元素P的熔点也不高。因此，该合金无高熔点元素，其纳米结构的形成和晶粒生长机制不同于传统的纳米软磁合金。拟从解析非晶相·纳米相（非晶相与纳米相的含量、纳米晶粒的大小等）与成分关系的基础上，研究FePSiBCu系非晶合金的结构演化规律，阐明纳米晶的成核与长大机制与稳定机制，建立相关理论模型，实现纳米软磁合金的组织结构、晶粒尺寸和磁性能的可控制备。
4）纳米软磁复合材料使用性能研究及磁性器件的设计
随着高功率、小型化、多功能等功率发生和储能技术的进步，解决日益增长的电功率发生、自起动能力、高速磁轴承运转和机电元件的冷却问题变得严峻。高温磁性材料的研发和使用，是实现上述软磁材料应用的关键。本项目拟在高温高强软磁复合材料研制的基础上，研究材料在高温、高应力、辐照辐射等条件下的使用性能，重点探讨材料微观结构和性能的稳定性及二者的相互关系。用纳米软磁复合材料设计高速电动机转子和高速运转磁轴承等磁性器件，并解决磁性器件中存在的磁性材料的关键基础性问题。
研制微小型的高灵敏度、快速响应、高温度稳定性、低功耗、表面贴片元件电路的GMI传感器。利用GMI效应的频率特性和交流数字电路研制更高灵敏度和更快响应速度的磁敏传感器。研究Fe基非晶态合金的纳米晶化技术，及其宽、厚带材的制备与成型技术，并应用于制造宽、厚非晶纳米晶复合软磁合金带材，进而研制高饱和磁化强度、低功耗的节能减排型变压器铁芯。
3、纳米复合磁性薄膜材料关键问题
如何制备成功高性能的各向异性取向的纳米复合永磁薄膜材料将是制备新一代的永磁材料的关键。在原子分子层次研究薄膜材料的沉积过程、生长机制、结构特征，力争从一个更高的层次来理解薄膜材料在生长过程中的行为。深入理解在纳米复合永磁和软磁材料中的磁性交换耦合效应。研究影响沉积薄膜质量因素，提供纳米复合永磁和软磁薄膜制备的优化参数组合。实现薄膜可控生长，改善生长环境和观测环境的兼容性。研究薄膜材料尺寸的变化对材料的内禀磁性的影响，理解材料内禀特性在介观尺度的行为。进一步将磁性薄膜材料与铁电、压电等其它功能材料进行纳米复合，合成复合电磁多铁性双层或多层薄膜材料。将不同材料的磁性和其它物理特性在纳米尺度进行耦合，从而获得多铁性等智能型功能薄膜材料。研究在纳米复合磁性薄膜材料中电、磁等各种能量之间的转换规律。从而在纳米复合磁性薄膜材料中发现一些新的物理现象。解决适用于微特电机的厚膜制备的技术难题（如应力导致衬底和薄膜剥离、薄膜弯曲等），为设计和制造高性能的新型微特电机、垂直磁记录介质等提供磁性薄膜材料基础。
1）各向异性纳米复合永磁薄膜材料的结构设计和可控制备技术
在纳米尺度进行各向异性纳米复合永磁薄膜材料的设计，发展设计、制备、表征各向异性纳米复合永磁薄膜材料的技术，制备性能稳定的高磁能积纳米复合永磁薄膜材料。选定Nd2Fe14B/a-Fe、SmCo/FeCo等复合体系，研究影响各向异性纳米复合永磁薄膜的磁性能的主要因素。系统研究永磁薄膜的厚度、晶粒尺寸、相结构、界面结构等与磁性的关系。研究薄膜生长工艺、衬底材料、退火条件、防护层等对薄膜结构和磁性的影响。掌握影响各向异性纳米复合永磁薄膜结构和性能的关键性工艺条件，如：硬磁相成分、多层膜厚度和周期、衬底温度、退火温度和时间等。实现硬磁相和软磁相的磁性耦合和剩磁增强效应。解决适用于微特电机的厚膜制备的技术难题（如应力导致衬底和薄膜剥离、薄膜弯曲等）。可控制备出性能稳定的具有国际先进水平的各向异性取向的纳米复合稀土永磁薄膜材料。为设计和制造高性能的新型微特电机提供材料基础。
2）纳米复合磁性薄膜材料的薄膜生长机理和界面结构
开展纳米复合磁性薄膜材料的薄膜生长机理研究。控制薄膜沉积速度，很好地定义衬底的温度、取向、形貌与粒子源的荷电、质量数、能量分布等各种相关物理参数，建立可靠的生长模式与物理条件间的联系。系统研究薄膜与衬底的反应、原子的吸附与去吸附、薄膜形核与成长的过程等。应用各种显微结构表征手段在纳米原子尺度进行界面结构的表征和缺陷观察。研究界面结构对薄膜材料的生长制备和性能的影响。利用电子全息研究磁畴结构、纳米耦合永磁材料中的磁耦合机理。通过截面观察和平面观察相结合的办法对界面原子结构、界面偏析进行三维分析，将促进对界面结构、薄膜的生长机理、磁性能、耦合机理的理解，从而深入地揭示和深化对此类材料的系统认识。
3）纳米复合磁性薄膜材料的磁性的尺度效应
研究纳米复合磁性薄膜材料的尺寸效应，研究薄膜的永磁、软磁等性能与材料的尺寸（薄膜厚度及晶粒大小）的关系。随厚度变薄或晶粒变小，自发磁化、磁各向异性、矫顽力、相变温度都发生变化。当薄膜厚度（或晶粒大小）小于一临界值时，将丧失永磁性等。研究表面的晶体结构、电子结构、磁性交换耦合、退磁场、界面（包括晶粒间界、薄膜与衬底界面）之间的相互关系。研究若干典型纳米结构薄膜基本磁性、电磁响应等，建立典型纳米多层膜中能量转化的微观物理模型。系统地研究磁性薄膜材料的相组成、相结构、相转变与磁性能的关系，以及纳米复合机制和矫顽力机制等，深入理解物质在介观尺度的结构特点和基本磁性。
4）纳米复合磁性薄膜材料的磁性交换耦合效应
从一个统一的角度来理解在纳米复合永磁和软磁材料中的磁性交换耦合效应。系统地研究纳米复合磁性薄膜材料在低维条件下的纳米复合特性，研究相成分、相组成、晶粒尺寸、畴结构等对纳米复合机制的影响。系统地研究磁性薄膜材料的磁性交换耦合机制，进一步发展磁性交换耦合理论及模型。用1：5、1：7、2：14：1等铁磁层与Cr、Co或Ni等氧化物反铁磁层(或非磁层)组成不同结构的磁性多层膜。研究磁晶各向异性的改变和层间交换耦合的关系。研究亚铁磁体R2Fe14B、铁氧体等与Fe、Co、Ni等铁磁层组成的多层膜中各向异性的改变对层间交换耦合、磁性与电性能的影响。研究磁性各向异性对纳米尺度磁性交换耦合长度的关联、不同相分布的逾渗效应对磁性纳米复合的影响、量子阱效应和磁性交换耦合的关联等。提出与磁晶各向异性有关的铁磁与铁磁、铁磁与反铁层（或亚铁磁层）交换耦合统一的理论模型。
5）磁性薄膜材料与铁电、压电等其它功能材料的纳米复合
将磁性薄膜材料与铁电、压电等其它功能材料进行纳米复合。合成复合电磁多铁性双层或多层薄膜材料，将不同材料的磁性和其它物理特性在纳米尺度进行耦合，从而获得多铁性等智能型功能薄膜材料。使磁性薄膜材料具有铁磁、铁电材料的双重属性，耦合铁磁和铁电的序参数。研究生长条件对材料结构的影响。调节铁电薄膜的生长条件、晶体取向。改变铁磁、铁电薄膜的厚度来研究铁磁和铁电薄膜的界面应力、界面粗糙度、界面缺陷、界面离子价态的变化、铁电薄膜的电场效应对铁磁薄膜的磁相变、磁晶各向异性、相分离和磁输运的影响。通过对铁磁薄膜进行霍耳效应的测量来确定由铁电薄膜的电极化的变化导致的界面电荷的转移。研究铁电薄膜的场效应、铁磁和铁电薄膜的界面、量子尺寸效应对铁磁薄膜磁相变、磁晶各向异性、相分离和磁输运的影响。理清界面效应、场效应、尺寸效应影响的机制以及它们之间的关系。为设计和制造的新型电磁能量转换器件提供材料基础。
4、纳米复合磁性材料的腐蚀规律与防护技术关键问题
在理论方面揭示纳米复合磁性材料在使役环境中的腐蚀规律，提出适用于纳米复合磁性材料的腐蚀理论。建立纳米复合磁性材料表面防护涂层制备的技术体系，并给出综合性能优化模型。阐明纳米复合磁性材料表面电沉积或脉冲电沉积的性能优化控制机制，消除阴极析氢作用。新型纳米复合磁性材料以及施加表面防护涂层后在我国几种典型大气环境中的腐蚀规律以及高温氧化行为和腐蚀规律。纳米复合磁性材料的界面结构以及其与防护涂层的界面结构对抗腐蚀性、抗氧化性、热稳定性等使役行为的影响。
1）新型纳米复合磁性材料在我国几种典型大气环境中的腐蚀规律
侧重探讨目前有前景的纳米复合磁性材料（如Nd-Fe-B/a-Fe、纳米复合软磁铁氧体等）以及本项目研制的新型纳米复合磁性材料在几种典型大气环境中的腐蚀失效机制，典型环境以侵蚀性较强的污染工业大气、高湿高热的海洋大气为主，探讨不同使役环境中材料的腐蚀演化规律，确定影响腐蚀演化进程的关键因素，找出反映腐蚀进程的关键参数，为材料腐蚀失效的实时监、检测提供必要的理论依据。
2）新型高温磁性材料的高温氧化行为、腐蚀规律
新型高温纳米复合磁性材料的高温氧化行为的研究。研究使役温度从300度-870度的新型纳米复合软磁、永磁材料的高温氧化行为。研究新型高温纳米复合磁性材料在高温条件下的化学稳定性、反应的动力学和热力学参数、反应过程控制参数、反应过程后的组分构成和相结构特征。
3）Sm(Co,Fe,Cu,Zr)z高温磁体的腐蚀与防护技术研究
从化学稳定性的角度，研究高温环境与Sm(Co,Fe,Cu,Zr)z磁体的相互作用。研究在长期的高温环境下，Sm(Co,Fe,Cu,Zr)z材料的成分以及微观结构变化规律，揭示材料的“腐蚀行为－磁性退化”之间的内在联系。设计和制备性能优良的专门用于Sm(Co,Fe,Cu,Zr)z高温磁体防护的保护膜，该膜即具有耐高温特性，又能与基体材料紧密的结合，使Sm(Co,Fe,Cu,Zr)z高温磁体能够长期稳定地工作在500°C环境中。
4）新型纳米复合磁性薄膜材料的防护技术研究
针对典型的新型纳米复合磁性薄膜材料进行梯度化学沉积、脉冲电沉积、纳米共电沉积、离子镀研究。考察上述方法及不同工艺参数条件下制备的Ni-P膜、Ni-Zn膜、以及Ni-Cr-Al纳米晶膜和纳米晶Ni（或Ni-Fe）／Cr或Al纳米粒子复合膜等的组成、结构和膜厚等相关参数对膜的结合强度、腐蚀行为以及磁性能的影响规律；为研制在特定使役环境下具有强结合力、耐蚀性能和对磁性影响不明显的新型纳米复合磁性薄膜材料的防护涂层提供实验和理论证据。
