化学压力诱导稀土永磁材料“变身”超因瓦合金
稀土永磁材料是上个世纪七八十年代发现的一类硬磁金属间化合物，广泛应用于交通运输、电力、信息、医疗、航天等行业。但稀土永磁材料多为金属间化合物，机械加工性能差，温度稳定性低。因瓦合金是一类零（低）热膨胀金属材料，在国防、航天、精密机械、液化天然气输运等领域有重要应用。目前使用的因瓦合金力学强度低，零膨胀温度窗口窄，迫切需要发展宽温区“超因瓦合金”（温区宽于200 K，且涵盖室温）。北京科技大学固体化学研究所、北京市高精尖材料基因工程中心邢献然教授团队，在稀土永磁材料的反常热膨胀行为研究方面取得重要进展，制备出多种性能优良的超因瓦合金。
图1 （a）Ho2(Fe,Co)17化合物磁结构（b）Fe/Co亚晶格磁矩随温度的变化（c）Ho2(Fe,Co)17合金热膨胀系数调控（d）458K宽温区零热膨胀合金
固体化学研究所博士研究生曹宜力同学等用化学压力的方法，在经典稀土永磁化合物R2Fe17引入部分Co原子（R=稀土元素），制备出单相负热膨胀Ho2(Fe,Co)17磁性合金，中子衍射确定其为亚铁磁结构（如图1a所示）。Co占位到Fe亚晶格中产生化学负压，Fe原子3d轨道的成键状态明显变化，晶格与磁的耦合作用增强了Fe原子磁矩，提高了居里温度，实现了负热膨胀到正热膨胀的连续调控，并得到一系列宽温区零热膨胀金属材料，其中Ho2Fe16Co的零热膨胀区间更是达到了458 K （3-461 K，如图1所示）。
图2（a）Ho0.04Fe0.96双相合金的同步辐射XRD图谱（b）零膨胀双相合金的力学性能（c）中子原位荷载实验测定H相和α相力学行为（d）双相合金的TEM照片
然而，此类单相零膨胀金属材料表现固有的脆性，机械加工性能急需改善。固体化学所博士研究生余成意同学、林鲲教授等利用一步共晶反应法，在具有优异塑性的α-Fe相中引入4 at.%的稀土Ho金属，生成了具有硬的负热膨胀Ho2Fe17金属间化合物（H相）和软的正膨胀α-Fe两相共晶（图2a所示）。所制备的零膨胀双相合金力学性能显著提升，压缩强度近800MPa，塑性明显改善（图2b所示）。两相通过相界面作用产生化学压力，负热膨胀稀土相H对α-Fe相施加化学负压力，提高合金的强度；α-Fe相对稀土相施加正化学压力，产生的缺陷和位错增强了塑性，正负两相通过界面的化学压力协同作用成零膨胀合金（如图2c、2d所示）。该合金的零热膨胀具有宽温区稳定和优异的循环性能，克服了零膨胀与强韧化超因瓦合金难以兼容的问题，有潜在的应用价值。
该成果以“R2(Fe,Co)17宽温区零膨胀的超因瓦属性（Ultrawide Temperature Range Super-Invar Behavior of R2(Fe,Co)17 Materials (R = Rare Earth)）”和“具有塑性的低成本轴向零膨胀双相合金（Plastic and Low-cost Axial Zero Thermal Expansion Alloy by A Natural Dual-phase Composite）”为题，近期分别发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)和《自然-通讯》(Nature Communications) 杂志上。
该工作与国内外相关单位合作完成，得到国家自然科学基金委、北京市高精尖材料基因工程中心、科技部、教育部等项目资助。
论文链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.055501
https://www.nature.com/articles/s41467-021-25036-1
（图片：化生学院）
（责编：高晨萱、邢华超）