具有多功能性的材料對社會產(chǎn)生了巨大的影響。然而，無法克服的多種功能權(quán)衡限制了下一代多功能材料的發(fā)現(xiàn)。
與傳統(tǒng)的合金化設(shè)計(jì)理念不同，燕山大學(xué)張湘義教授和北京航空航天大學(xué)張海天教授等人提出了一種分層納米結(jié)構(gòu)（HNS）策略，以同時(shí)打破材料中的多種性能權(quán)衡。使用鐠-鈷（PrCo5）鐵磁體作為概念驗(yàn)證，所得的HNS優(yōu)于當(dāng)代高溫鐵磁體，電阻率增加了50%至138%，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了最高的能量密度。本文的策略還實(shí)現(xiàn)了卓越的矯頑力熱穩(wěn)定性（?0.148%/°C），這是器件精度和可靠性的關(guān)鍵特性，超過了現(xiàn)有的商用稀土磁體。多功能性源于特意引入的納米層次結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)激活多種微機(jī)制來抵抗疇壁運(yùn)動和電子傳輸，為多功能材料提供了先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念。
相關(guān)文章以“Fast fabrication of a hierarchical nanostructured multifunctional ferromagnet”為題發(fā)表在Science上。
需要結(jié)合不同物理特性和功能的材料來滿足全球日益增長的節(jié)能、節(jié)約資源和改善人類健康的需求。例如，抗癌藥物需要具有靶向和成像能力的材料，而植入材料不僅需要結(jié)構(gòu)可靠性，還需要生物相容性。同樣，軟體機(jī)器人中的人造肌肉需要同時(shí)保證高能效和良好的柔性。在消耗全球>40%電力的傳感和驅(qū)動應(yīng)用中，對多功能性的需求變得尤為明顯，需要一種單一的多功能材料來滿足效率、準(zhǔn)確性、可靠性和安全性等關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。鐵磁材料是對這些應(yīng)用至關(guān)重要的材料的一個(gè)例子。高能量密度，這就要求既有高飽和磁化強(qiáng)度（Ms）和大矯頑力（Hc），對于最大限度地提高能源效率至關(guān)重要。?為了最小化渦流損失并確保安全性，因此需要較大的電阻率，因?yàn)殡姍C(jī)中與渦流相關(guān)的能量損失與鐵磁體的電阻率有關(guān)。強(qiáng)大的熱穩(wěn)定性，即抵抗熱驅(qū)動的磁不穩(wěn)定性的能力，是實(shí)現(xiàn)高精度和可靠性的必要條件。然而，在鐵磁材料中，能量密度和電阻率通常是互斥的，只能以犧牲彼此為代價(jià)來增強(qiáng)。?現(xiàn)有的提高電阻率的方法引入了絕緣和非磁性元件，從而降低了?Ms，降低能量密度。阻止熱驅(qū)動的磁不穩(wěn)定性，例如Hc的下降，傳統(tǒng)方法僅優(yōu)先考慮本身Hc?的增強(qiáng)c本身，而不是解決導(dǎo)致不穩(wěn)定的物質(zhì)內(nèi)部因素。?這種策略不可避免地引入了非磁性和弱磁性元件或使用昂貴的重稀土元素，從而降低了 Ms因此是能量密度。此外，Ms和?Hc之間長期存在的權(quán)衡，限制了可以獲得的能量密度。這些基本物理性能之間的權(quán)衡為鐵磁材料實(shí)現(xiàn)所需的多功能性帶來了根本的困境。同樣，在其他材料系統(tǒng)中，由于各種功能之間的復(fù)雜權(quán)衡，實(shí)現(xiàn)多功能性已被證明極具挑戰(zhàn)性。
依賴于復(fù)雜合金設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)策略經(jīng)常會遇到兩難境地。通過添加合金元素來改善一個(gè)方面必然會損害其他重要性能，從而大大限制材料性能。與合金化設(shè)計(jì)策略不同，天然材料可以通過構(gòu)建從納米到微觀或宏觀尺度的層次結(jié)構(gòu)來很好地調(diào)和不同性能之間的沖突，這些結(jié)構(gòu)具有產(chǎn)生多功能性的新興機(jī)制。假設(shè)類似的原理可以應(yīng)用于人造材料，通過設(shè)計(jì)具有豐富和有序子結(jié)構(gòu)的分層納米結(jié)構(gòu)（HNS）來協(xié)同操縱磁性、電學(xué)、熱學(xué)和光學(xué)特性，從而創(chuàng)建所需的多功能性。與從納米尺度和中觀尺度上升到宏觀尺度的傳統(tǒng)多級結(jié)構(gòu)相比，HNS具有獨(dú)特的層次結(jié)構(gòu)，從納米尺度到原子尺度級聯(lián)，具有豐富的界面效應(yīng)和原子尺度的組成變化。構(gòu)建具有獨(dú)立定制的納米級和原子級特征的全致密體HNS仍然是一個(gè)更大的挑戰(zhàn)。為了制作如此復(fù)雜的HNS，快速制造技術(shù)，尤其是在高溫下，勢在必行。
本文開發(fā)了一種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略，通過工程HNS來同時(shí)克服創(chuàng)建多功能材料的多種權(quán)衡。作者使用鐵磁材料作為概念驗(yàn)證，因?yàn)樗哂袕?fù)雜的性能權(quán)衡，包括能量密度和電阻率之間的權(quán)衡，能量密度和熱穩(wěn)定性之間的折衷，以及Ms和?Hc之間的沖突，所有這些都是最大限度地提高設(shè)備的能源效率、準(zhǔn)確性、可靠性和安全性的重要因素。由此產(chǎn)生的HNS鐵磁體表現(xiàn)出超越現(xiàn)有高溫鐵磁體的多種功能特性的有吸引力的組合，具有高能量密度、大電阻率和出色的矯頑力熱穩(wěn)定性。盡管本文的概念驗(yàn)證報(bào)告?zhèn)戎赜谕ㄟ^其豐富的納米級界面效應(yīng)和原子級散射同時(shí)操縱HNS中的疇壁運(yùn)動和電子傳輸，但其基本概念可以擴(kuò)展到構(gòu)建其他多功能材料，從而可以同時(shí)控制聲子傳輸和光傳播以及反應(yīng)物的傳輸。
與傳統(tǒng)的復(fù)雜合金化設(shè)計(jì)理念相比，本文的策略采用了一種根本不同的方法來開發(fā)多功能材料，專注于構(gòu)建納米級分層結(jié)構(gòu)（圖1A和B）。這種策略可以消除對大量合金元素的需求，并且僅依賴于成分普通的二元合金，從而簡化了材料制造并避免了添加合金元素的權(quán)衡困境。此外，本文設(shè)計(jì)的基于焦耳加熱的約束變形技術(shù)能夠在幾秒鐘內(nèi)快速合成完全致密的大規(guī)模塊狀材料，從而動力學(xué)地產(chǎn)生HNS，為制造具有可調(diào)納米級和原子級特征的復(fù)雜塊狀HNS材料提供了一個(gè)強(qiáng)大的平臺。
圖2：所設(shè)計(jì)的HNS材料的微觀結(jié)構(gòu)表征。
圖4：HNS PrCo5材料的磁化反轉(zhuǎn)。
綜上所述，與傳統(tǒng)的合金化設(shè)計(jì)策略不同，本文展示了一種HNS設(shè)計(jì)概念，該概念通過HNS誘導(dǎo)的新興物理機(jī)制，克服了在創(chuàng)建多功能材料時(shí)的多重權(quán)衡，其中通過納米多級結(jié)構(gòu)的豐富界面效應(yīng)激活了多樣化的功能機(jī)制。與傳統(tǒng)電機(jī)相比，HNS鐵磁體中高能量密度和大電阻率的不尋常組合導(dǎo)致驅(qū)動電機(jī)的渦流損耗從161.1 W/kg減少到 72.1 W/kg，工作溫度下降 ~27℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證明了這一點(diǎn)，有助于提高電動汽車的效率和安全性。此外，同時(shí)具有出色的矯頑力熱穩(wěn)定性，在特殊傳感器、環(huán)行器和執(zhí)行器中開辟了潛在的應(yīng)用。所有這些設(shè)備都需要高精度和可靠性。
盡管這是一項(xiàng)概念驗(yàn)證研究，側(cè)重于通過工程HNS同時(shí)操縱疇壁運(yùn)動和電子傳輸，但作者認(rèn)為，基本概念可以擴(kuò)展到同時(shí)控制聲子傳輸和光傳播以及反應(yīng)物的傳輸。這應(yīng)該使策略通常適用于其他材料系統(tǒng)，以產(chǎn)生理想的多功能性，包括鐵電、熱電和催化材料，在這些材料中，需要克服多種相互沖突的特性。此外，基于焦耳熱的約束變形技術(shù)為創(chuàng)建具有可調(diào)納米級和原子級特征的塊體HNS材料提供了一個(gè)快速制造平臺，并促進(jìn)了下一代多功能材料的技術(shù)應(yīng)用。作者還預(yù)計(jì)，這種快速、遠(yuǎn)離平衡的制造技術(shù)將用于生成各種高性能材料，這些材料具有各種亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)和亞穩(wěn)態(tài)相，這些材料超出了傳統(tǒng)方法的范圍。
Yingxin Hua?, Xiaohong Li?, Jiaxu Li, Xiang Luo, Yuqing Li, Wenyue Qin, Liqiang Zhang, Jianwei Xiao, Weixing Xia, Ping Song, Ming Yue, Hai-Tian Zhang*, Xiangyi Zhang*,?Fast fabrication of a hierarchical nanostructured multifunctional ferromagnet, Science.
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