行業資訊
1、納米復合永磁材料的關鍵問題
進行納米復合永磁材料的結構設計，發展納米復合永磁材料可控制備技術。特別是重視發展以bottom-up化學過程+快速燒結為主導的技術路線，力爭突破制備高性能的各向異性納米復合永磁材料的技術瓶頸。研究納米晶的生長機制、結構特征、結構穩定性和性能可靠性，從一個更深的層次來理解納米復合永磁材料的納米晶在生長過程中的行為及其與磁性能之間的關系。從理論上分析不同結構的納米復合磁性材料中導致軟磁相不成為反磁化核的中心而能夠和硬磁相耦合在一起的臨界尺寸與微觀組織結構特征。探索滿足實現納米耦合的高矯頑力的硬磁新相和高飽和磁化強度的軟磁新相。從實驗方面調節和改變材料的交換作用強度、改變和增強材料的磁晶各向異性、飽和磁化強度，從根本建立易于實現納米耦合的條件。研究新型可控制備技術相分離過程中亞穩相的成相規律及其與成分、溫度、時效的關聯性。建立納米復合磁性材料微觀組織結構與磁性能的關系模型，獲得相分離后的相關聯性及它們之間的磁交換作用機制和交換耦合的條件。用快速燒結制備納米晶和熱變形等工藝制備高性能的各向異性Nd2Fe14B/a-Fe納米復合永磁材料，通過優化兩相的微觀組織結構和成分，以獲得理想永磁性能的材料，掌握新型納米復合結構制備的關鍵技術。
1）納米復合永磁材料的結構設計和制備技術的發展
采用快淬、HDDR結合相分離法、化學合成、快速燒結制備納米晶和熱變形工藝等多種新工藝和實驗手段，探索適宜可控制備納米結構永磁材料的方法，不僅能夠實現硬磁－軟磁雙相耦合或硬磁相間的耦合，而且實現硬磁晶粒排列取向呈現織構，以求接近或達到理論預期的高磁能積，掌握制備新型高性能納米復合永磁材料的關鍵技術、獲得理想的納米復合結構與磁性能，這是本課題的創新性之處。特別是重視發展以bottom-up化學過程+快速燒結為主導的技術路線，力爭突破制備高性能的各向異性納米復合永磁材料的技術瓶頸。研究相分離與成分、溫度、時效的關聯性。研究相分離法、熱變形工藝等非平衡過程的相形成規律及結晶過程中的晶體學生長特征，相分離的介觀結構變化、相交換耦合的結構條件。掌握用上述方法制備NdFeB基、2:17相、新型Co基1:7相等為主體的納米復合永磁材料的成分設計及工藝條件，控制納米復合永磁材料的晶粒尺寸和微觀結構，以獲得永磁性能。
2）納米復合磁性材料的磁性耦合機理
研究永磁相和軟磁相實現納米耦合的機理和條件。如：用中子衍射技術與XRD技術結合確定材料的磁性相結構和晶體結構，研究成分、結構、元素晶格占位、磁性相變、健長、夾角等結構因素與材料性能的關系。用磁力顯微鏡觀測新相的磁疇結構，結合磁性測量研究磁疇寬度、疇壁厚度及其影響因素與耦合作用強度、磁晶各向異性、飽和磁化強度、較大磁能積等磁性參數的關系。用SEM和TEM電子顯微鏡觀測材料中晶粒結構、取向、尺寸對磁性的影響。即綜合利用各種觀測手段，獲得物質結構和磁性結構與材料性能的關系，為研究納米耦合機理和優化耦合條件提供實驗基礎。
理論分析不同結構的納米復合磁性材料中形成磁性交換耦合的臨界尺寸；從實驗上探索滿足具有高矯頑力的硬磁和高飽和磁化強度的軟磁相耦合的條件。本課題的創新性之一就是利用交換彈性耦合效應或納米復合微觀組織結構來改變材料的交換作用強度、磁晶各向異性、飽和磁化強度，來調節材料的交換長度lex、疇壁厚度dW、單疇臨界尺寸dC以及硬磁參數k，建立易于實現納米耦合的微觀結構和條件。從實驗測定的總交互作用中分離出對磁化過程有重要意義的短程交換和長程磁偶極交互作用。建立微觀組織結構與磁性能的關系模型，研究其磁性交換耦合作用機制和條件，實現納米復合微觀組織結與磁性能的可控制備。
3）探索實現納米耦合的高矯頑力和高磁能積的硬磁新相和高飽和磁化強度的軟磁新相
元素周期表中常溫下能夠提供強磁性的金屬只有Fe,Co,Ni。其中a-Fe磁性強，其原子磁矩2.2mB。Fe-Co合金的原子磁矩可提高到2.4mB。本項目將采用間隙原子效應來實現有效的磁性調制。將N、C、H等作為間隙原子加入母合金，基于間隙原子的磁體積效應和化學鍵效應，改變稀土－鐵化合物的電子能帶結構和晶場作用。同時，改變材料的磁疇結構，形成硬磁材料理想的180度疇壁的磁疇結構，探索制備新型高性能永磁相。進一步開展間隙原子效應研究，包括電子能帶結構、晶場作用計算，為有效地調控材料的內稟磁性提供依據。同時擬把間隙原子效應研究擴展到軟磁材料，尋求飽和磁化強度高于Fe-Co合金的間隙型軟磁材料，探索新型的高矯頑力兼高磁能積的雙相納米耦合材料。這是本課題的另一創新點。
4）高性能永磁納米復合材料的化學合成及磁體的應用研究
基于交換彈性耦合機理，在理論分析的基礎上，研究發展可控制備納米尺度硬磁與軟磁耦合復合磁體的新技術和新方法。采用bottom-up化學過程、快淬、速凝等方法制備永磁/軟磁各向異性的納米耦合磁粉或磁體，探索新工藝對磁粉性能的影響。綜合各種方法的特點發展出簡單實用的生產工藝。優化工藝條件，制備出高性能的硬磁與軟磁耦合各向異性磁粉/磁體。以此為基礎，研究用有機和無機納米薄膜包覆對磁粉綜合性能的影響，同時開展永磁/軟磁的納米耦合研究，以期制備出更高磁性能的各向異性納米復合稀土永磁磁粉。目標是制備出新型高性能、溫度穩定性好的耦合納米復合磁粉/磁體，為研制更新換代的新型永磁磁體和器件提供新型材料。
5）多功能異質納米復合材料的基礎問題研究
化學控制合成具有大聯結界面及復合磁光性質的多功能異質復合納米顆粒，深入理解異質成核生長機理，研究復合粒子的電、磁、光、催化等性質，組元介質間的相互作用、電磁傳輸，以及異質相互作用對復合粒子整體物理性質的影響，結構與性質的關系等問題。研究交換耦合相互作用等物理現象，研制多功能納米復合材料如磁光復合材料和高性能磁性材料。
6）制備納米復合結構元器件的關鍵技術
采用新型納米復合磁性材料，通過微觀組織結構和制備工藝的優化與控制，解決其取向成型、燒結和磁性能控制等關鍵制備技術，制備中小型永磁電機用定子和轉子等磁性元器件，使其剩磁、矯頑力溫度系數和穩定性等磁性能指標達到或超過目前廣泛使用的傳統永磁器件。研制新一代高性能整體輻向多極永磁環，有效克服目前廣泛使用拼接磁環電機磁極波動大、效率較低的缺點，使其磁性性能、極間磁密均勻性和力學性能高于目前的傳統永磁器件，進一步推動永磁電機向高穩定性、高效率和小型化方向發展。
2、納米復合軟磁材料關鍵問題
建立并完善新型納米顆粒、纖維增強以及兩者共同增強的軟磁復合材料的可控制備技術。研究納米軟磁復合材料的微觀結構、力學性能和軟磁性能相互關系。闡明材料的尺寸、非晶納米晶復相結構與巨磁阻抗效應的關系。研究納米尺度下材料的磁導率、阻抗和損耗等性能參數，與化學成分、晶格結構、磁晶各向異性常數、磁致伸縮系數、晶粒尺寸及粒度分布的關系。闡明非晶軟磁合金的結構演化規律、納米晶的成核、長大與穩定機制，建立微觀結構演化與性能之間的相互關系及其理論模型。探索提高軟磁復合材料使用性能的途徑，尤其是其在高溫條件下結構和磁性能的穩定性、材料的蠕變性能等，奠定軟磁復合材料器件設計和使用的基礎。
1）具有良好的室溫和高溫力學和軟磁性能的新型納米復合軟磁材料制備
建立并完善新型納米復合軟磁材料的制備技術。研究納米顆粒、纖維增強以及兩者共同增強的軟磁復合材料。研制成功具有良好的室溫和高溫力學和軟磁性能的新型納米軟磁復合材料，指標為：500oC溫度下，屈服強度s0.2>700 MPa; 磁感應強度>20 kG；5000Hz時渦流損耗<480 W/kg；蠕變<5′10-6 h/r (550oC, 600MPa, 5000 小時)；室溫電阻率：40－60mW×cm。建立軟磁復合材料高溫性能測量方法和標準。建立微觀結構參數、工藝參數與力學和軟磁性能(尤其是高溫性能)的相互關系，探索微觀結構對磁疇運動的影響，為高溫軟磁復合材料組織結構控制、材料設計與制備提供理論依據。研究材料微觀組織和性能高溫演變規律。建立系統的微觀結構參數、磁疇相互作用和性能之間定量或半定量的關系。
2）Co基非晶合金納米晶化及其巨磁阻抗效應
研究Co基軟磁非晶合金經晶化處理形成納米晶結構后的軟磁性能及其巨磁阻抗效應。優化晶化工藝，以使納米復合材料對微弱外磁場（0-46.5A/m）有特別靈敏的響應（靈敏度達到：2440.2%/Am-1，即尖刺巨磁阻抗效應）。根據巨磁阻抗效應的各向異性模型，通過對系列納米晶化樣品的巨磁阻抗效應曲線的計算機擬合，研究產生尖刺巨磁阻抗效應的普適條件，建立尖刺巨磁阻抗效應特性和退火晶化工藝間定量或半定量的關系。
3）高飽和磁化強度納米軟磁合金的制備與形成機制
傳統納米軟磁合金納米晶形成機理在于兩個原因：（1）在室溫下與Fe元素幾乎不互溶的Cu元素起生成納米晶核的作用;（2）高熔點的Nb元素則阻止了納米晶粒的長大。本項目的新型高飽和磁化強度鐵基納米軟磁合金為無Nb低Cu材料，新添加的元素P的熔點也不高。因此，該合金無高熔點元素，其納米結構的形成和晶粒生長機制不同于傳統的納米軟磁合金。擬從解析非晶相·納米相（非晶相與納米相的含量、納米晶粒的大小等）與成分關系的基礎上，研究FePSiBCu系非晶合金的結構演化規律，闡明納米晶的成核與長大機制與穩定機制，建立相關理論模型，實現納米軟磁合金的組織結構、晶粒尺寸和磁性能的可控制備。
4）納米軟磁復合材料使用性能研究及磁性器件的設計
隨著高功率、小型化、多功能等功率發生和儲能技術的進步，解決日益增長的電功率發生、自起動能力、高速磁軸承運轉和機電元件的冷卻問題變得嚴峻。高溫磁性材料的研發和使用，是實現上述軟磁材料應用的關鍵。本項目擬在高溫高強軟磁復合材料研制的基礎上，研究材料在高溫、高應力、輻照輻射等條件下的使用性能，重點探討材料微觀結構和性能的穩定性及二者的相互關系。用納米軟磁復合材料設計高速電動機轉子和高速運轉磁軸承等磁性器件，并解決磁性器件中存在的磁性材料的關鍵基礎性問題。
研制微小型的高靈敏度、快速響應、高溫度穩定性、低功耗、表面貼片元件電路的GMI傳感器。利用GMI效應的頻率特性和交流數字電路研制更高靈敏度和更快響應速度的磁敏傳感器。研究Fe基非晶態合金的納米晶化技術，及其寬、厚帶材的制備與成型技術，并應用于制造寬、厚非晶納米晶復合軟磁合金帶材，進而研制高飽和磁化強度、低功耗的節能減排型變壓器鐵芯。
3、納米復合磁性薄膜材料關鍵問題
如何制備成功高性能的各向異性取向的納米復合永磁薄膜材料將是制備新一代的永磁材料的關鍵。在原子分子層次研究薄膜材料的沉積過程、生長機制、結構特征，力爭從一個更高的層次來理解薄膜材料在生長過程中的行為。深入理解在納米復合永磁和軟磁材料中的磁性交換耦合效應。研究影響沉積薄膜質量因素，提供納米復合永磁和軟磁薄膜制備的優化參數組合。實現薄膜可控生長，改善生長環境和觀測環境的兼容性。研究薄膜材料尺寸的變化對材料的內稟磁性的影響，理解材料內稟特性在介觀尺度的行為。進一步將磁性薄膜材料與鐵電、壓電等其它功能材料進行納米復合，合成復合電磁多鐵性雙層或多層薄膜材料。將不同材料的磁性和其它物理特性在納米尺度進行耦合，從而獲得多鐵性等智能型功能薄膜材料。研究在納米復合磁性薄膜材料中電、磁等各種能量之間的轉換規律。從而在納米復合磁性薄膜材料中發現一些新的物理現象。解決適用于微特電機的厚膜制備的技術難題（如應力導致襯底和薄膜剝離、薄膜彎曲等），為設計和制造高性能的新型微特電機、垂直磁記錄介質等提供磁性薄膜材料基礎。
1）各向異性納米復合永磁薄膜材料的結構設計和可控制備技術
在納米尺度進行各向異性納米復合永磁薄膜材料的設計，發展設計、制備、表征各向異性納米復合永磁薄膜材料的技術，制備性能穩定的高磁能積納米復合永磁薄膜材料。選定Nd2Fe14B/a-Fe、SmCo/FeCo等復合體系，研究影響各向異性納米復合永磁薄膜的磁性能的主要因素。系統研究永磁薄膜的厚度、晶粒尺寸、相結構、界面結構等與磁性的關系。研究薄膜生長工藝、襯底材料、退火條件、防護層等對薄膜結構和磁性的影響。掌握影響各向異性納米復合永磁薄膜結構和性能的關鍵性工藝條件，如：硬磁相成分、多層膜厚度和周期、襯底溫度、退火溫度和時間等。實現硬磁相和軟磁相的磁性耦合和剩磁增強效應。解決適用于微特電機的厚膜制備的技術難題（如應力導致襯底和薄膜剝離、薄膜彎曲等）?？煽刂苽涑鲂阅芊€定的具有國際先進水平的各向異性取向的納米復合稀土永磁薄膜材料。為設計和制造高性能的新型微特電機提供材料基礎。
2）納米復合磁性薄膜材料的薄膜生長機理和界面結構
開展納米復合磁性薄膜材料的薄膜生長機理研究?？刂票∧こ练e速度，很好地定義襯底的溫度、取向、形貌與粒子源的荷電、質量數、能量分布等各種相關物理參數，建立可靠的生長模式與物理條件間的聯系。系統研究薄膜與襯底的反應、原子的吸附與去吸附、薄膜形核與成長的過程等。應用各種顯微結構表征手段在納米原子尺度進行界面結構的表征和缺陷觀察。研究界面結構對薄膜材料的生長制備和性能的影響。利用電子全息研究磁疇結構、納米耦合永磁材料中的磁耦合機理。通過截面觀察和平面觀察相結合的辦法對界面原子結構、界面偏析進行三維分析，將促進對界面結構、薄膜的生長機理、磁性能、耦合機理的理解，從而深入地揭示和深化對此類材料的系統認識。
3）納米復合磁性薄膜材料的磁性的尺度效應
研究納米復合磁性薄膜材料的尺寸效應，研究薄膜的永磁、軟磁等性能與材料的尺寸（薄膜厚度及晶粒大?。┑年P系。隨厚度變薄或晶粒變小，自發磁化、磁各向異性、矯頑力、相變溫度都發生變化。當薄膜厚度（或晶粒大?。┬∮谝慌R界值時，將喪失永磁性等。研究表面的晶體結構、電子結構、磁性交換耦合、退磁場、界面（包括晶粒間界、薄膜與襯底界面）之間的相互關系。研究若干典型納米結構薄膜基本磁性、電磁響應等，建立典型納米多層膜中能量轉化的微觀物理模型。系統地研究磁性薄膜材料的相組成、相結構、相轉變與磁性能的關系，以及納米復合機制和矯頑力機制等，深入理解物質在介觀尺度的結構特點和基本磁性。
4）納米復合磁性薄膜材料的磁性交換耦合效應
從一個統一的角度來理解在納米復合永磁和軟磁材料中的磁性交換耦合效應。系統地研究納米復合磁性薄膜材料在低維條件下的納米復合特性，研究相成分、相組成、晶粒尺寸、疇結構等對納米復合機制的影響。系統地研究磁性薄膜材料的磁性交換耦合機制，進一步發展磁性交換耦合理論及模型。用1：5、1：7、2：14：1等鐵磁層與Cr、Co或Ni等氧化物反鐵磁層(或非磁層)組成不同結構的磁性多層膜。研究磁晶各向異性的改變和層間交換耦合的關系。研究亞鐵磁體R2Fe14B、鐵氧體等與Fe、Co、Ni等鐵磁層組成的多層膜中各向異性的改變對層間交換耦合、磁性與電性能的影響。研究磁性各向異性對納米尺度磁性交換耦合長度的關聯、不同相分布的逾滲效應對磁性納米復合的影響、量子阱效應和磁性交換耦合的關聯等。提出與磁晶各向異性有關的鐵磁與鐵磁、鐵磁與反鐵層（或亞鐵磁層）交換耦合統一的理論模型。
5）磁性薄膜材料與鐵電、壓電等其它功能材料的納米復合
將磁性薄膜材料與鐵電、壓電等其它功能材料進行納米復合。合成復合電磁多鐵性雙層或多層薄膜材料，將不同材料的磁性和其它物理特性在納米尺度進行耦合，從而獲得多鐵性等智能型功能薄膜材料。使磁性薄膜材料具有鐵磁、鐵電材料的雙重屬性，耦合鐵磁和鐵電的序參數。研究生長條件對材料結構的影響。調節鐵電薄膜的生長條件、晶體取向。改變鐵磁、鐵電薄膜的厚度來研究鐵磁和鐵電薄膜的界面應力、界面粗糙度、界面缺陷、界面離子價態的變化、鐵電薄膜的電場效應對鐵磁薄膜的磁相變、磁晶各向異性、相分離和磁輸運的影響。通過對鐵磁薄膜進行霍耳效應的測量來確定由鐵電薄膜的電極化的變化導致的界面電荷的轉移。研究鐵電薄膜的場效應、鐵磁和鐵電薄膜的界面、量子尺寸效應對鐵磁薄膜磁相變、磁晶各向異性、相分離和磁輸運的影響。理清界面效應、場效應、尺寸效應影響的機制以及它們之間的關系。為設計和制造的新型電磁能量轉換器件提供材料基礎。
4、納米復合磁性材料的腐蝕規律與防護技術關鍵問題
在理論方面揭示納米復合磁性材料在使役環境中的腐蝕規律，提出適用于納米復合磁性材料的腐蝕理論。建立納米復合磁性材料表面防護涂層制備的技術體系，并給出綜合性能優化模型。闡明納米復合磁性材料表面電沉積或脈沖電沉積的性能優化控制機制，消除陰極析氫作用。新型納米復合磁性材料以及施加表面防護涂層后在我國幾種典型大氣環境中的腐蝕規律以及高溫氧化行為和腐蝕規律。納米復合磁性材料的界面結構以及其與防護涂層的界面結構對抗腐蝕性、抗氧化性、熱穩定性等使役行為的影響。
1）新型納米復合磁性材料在我國幾種典型大氣環境中的腐蝕規律
側重探討目前有前景的納米復合磁性材料（如Nd-Fe-B/a-Fe、納米復合軟磁鐵氧體等）以及本項目研制的新型納米復合磁性材料在幾種典型大氣環境中的腐蝕失效機制，典型環境以侵蝕性較強的污染工業大氣、高濕高熱的海洋大氣為主，探討不同使役環境中材料的腐蝕演化規律，確定影響腐蝕演化進程的關鍵因素，找出反映腐蝕進程的關鍵參數，為材料腐蝕失效的實時監、檢測提供必要的理論依據。
2）新型高溫磁性材料的高溫氧化行為、腐蝕規律
新型高溫納米復合磁性材料的高溫氧化行為的研究。研究使役溫度從300度-870度的新型納米復合軟磁、永磁材料的高溫氧化行為。研究新型高溫納米復合磁性材料在高溫條件下的化學穩定性、反應的動力學和熱力學參數、反應過程控制參數、反應過程后的組分構成和相結構特征。
3）Sm(Co,Fe,Cu,Zr)z高溫磁體的腐蝕與防護技術研究
從化學穩定性的角度，研究高溫環境與Sm(Co,Fe,Cu,Zr)z磁體的相互作用。研究在長期的高溫環境下，Sm(Co,Fe,Cu,Zr)z材料的成分以及微觀結構變化規律，揭示材料的“腐蝕行為－磁性退化”之間的內在聯系。設計和制備性能優良的專門用于Sm(Co,Fe,Cu,Zr)z高溫磁體防護的保護膜，該膜即具有耐高溫特性，又能與基體材料緊密的結合，使Sm(Co,Fe,Cu,Zr)z高溫磁體能夠長期穩定地工作在500°C環境中。
4）新型納米復合磁性薄膜材料的防護技術研究
針對典型的新型納米復合磁性薄膜材料進行梯度化學沉積、脈沖電沉積、納米共電沉積、離子鍍研究?？疾焐鲜龇椒安煌に噮禇l件下制備的Ni-P膜、Ni-Zn膜、以及Ni-Cr-Al納米晶膜和納米晶Ni（或Ni-Fe）／Cr或Al納米粒子復合膜等的組成、結構和膜厚等相關參數對膜的結合強度、腐蝕行為以及磁性能的影響規律；為研制在特定使役環境下具有強結合力、耐蝕性能和對磁性影響不明顯的新型納米復合磁性薄膜材料的防護涂層提供實驗和理論證據。
