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項目名稱： 新型納米復合磁性材料及其應用的關(guān)鍵基礎研究首席科學家： 張志東 中國科學院金屬研究所起止年限： 2010 年 1 月-2014 年 8 月依托部門： 中國科學院一、研究內(nèi)容納米復合永磁材料關(guān)鍵科學問題：進行納米復合永磁材料的結(jié)構(gòu)設計，發(fā)展納米復合永磁材料可控制備技術(shù)。特別是重視發(fā)展以 bottom-up 化學過程+快速燒結(jié)為 主導的技術(shù)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(shù)瓶頸。研究納米晶的生長機制、結(jié)構(gòu)特征、結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(guān)系。從理論上分析不同結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)特征。探索滿足實現(xiàn)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(diào)節(jié)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(xiàn)納米耦合的條件。研究新型可控制備技術(shù)相 分 離 過程中 亞 穩(wěn) 相 的 成 相 規(guī) 律及 其與成分、溫度、時效的關(guān)聯(lián)性。建 立 納 米 復 合 磁 性 材 料 微 觀 組 織 結(jié) 構(gòu) 與 磁性 能 的 關(guān) 系 模 型 ，獲 得 相分離后的相關(guān)聯(lián)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(jié) 制備納米晶和熱變形等工藝制備高性能的各向異性Nd2Fe14B/?-Fe 納米復合永磁材料，通過優(yōu)化兩相的微觀組織結(jié)構(gòu)和成分，以 獲得 最 佳 永 磁 性 能 的 材 料 ，掌 握 新型納米復合結(jié)構(gòu)制備的關(guān)鍵技術(shù)。主要研究內(nèi)容：1、納米復合永磁材料的結(jié)構(gòu)設計和制備技術(shù)的發(fā)展采用快淬、HDDR 結(jié)合相分離法、化學合成、快速燒結(jié)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(jié)構(gòu)永 磁 材料的方法，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)硬磁－軟磁雙相耦合或硬磁相間的耦合，而且實現(xiàn)硬磁晶粒排列取向呈現(xiàn)織構(gòu)，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(guān)鍵技術(shù)、獲得最佳的納米復合結(jié)構(gòu)與磁性能，這是本課題的創(chuàng)新性之處。特別是重視發(fā)展以 bottom-up 化學過程+快速燒結(jié)為主導的技術(shù)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(shù)瓶頸。研究相分離與成分、溫度、時效的關(guān)聯(lián)性。研究相分離法、熱變形工藝等非平衡過程的相 形 成 規(guī)律 及結(jié)晶過程中的晶體學生長特征，相分離的介觀結(jié)構(gòu)變化、 相交換耦合的結(jié)構(gòu)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(jié) 構(gòu) ，以 獲 得 最 佳 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(xiàn)納米耦合的機理和條件。如：用中子衍射技術(shù)與XRD 技 術(shù)結(jié)合確定材料的磁性相結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)，研究成分、結(jié)構(gòu)、元素晶格占位、磁性相變、健長、 夾角等結(jié)構(gòu)因素與材料性能的關(guān)系。用磁力 顯微鏡觀測新相的磁疇結(jié)構(gòu)，結(jié)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、最大磁能 積等磁性參數(shù)的關(guān)系。用 SEM 和TEM 電 子顯微鏡觀測材料中晶粒結(jié)構(gòu)、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(zhì)結(jié)構(gòu)和磁性結(jié)構(gòu)與材料最終性能的關(guān)系，為研究納米耦合機理和優(yōu)化耦合條件提供實驗基礎。理論分析不同結(jié)構(gòu)的納 米 復 合 磁 性 材 料 中形成最佳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(chuàng)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(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)材料的交換長度 lex、疇壁厚度? W、單疇臨界尺寸 dC 以及硬磁參數(shù)?，建立易于實現(xiàn)納米耦合的微觀結(jié)構(gòu)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(jié) 構(gòu) 與 磁 性 能 的 關(guān) 系 模 型 ，研究其磁性交換耦合作用機制和條件，實現(xiàn)納米復合微觀組織結(jié)與磁性能的可控制備。3、探索實現(xiàn)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?-Fe 磁性最強，其原子磁矩 2.2 ?B。Fe-Co 合金的原子磁矩可提高到 2.4 ?B。本項目將采用間隙原子效應來實現(xiàn)最有效的磁性調(diào)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(jié)構(gòu)和晶場作用。同時，改變材料的磁疇結(jié)構(gòu)，形成硬磁材料理想的 180 度疇壁的磁疇結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)、晶場作用計算，為有效地調(diào)控材料的內(nèi)稟磁性提供依據(jù)。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(chuàng)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(fā)展可控制備納米尺度硬磁與軟磁耦合復合磁體的新技術(shù)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(fā)展出簡單實用的生產(chǎn)工藝。優(yōu)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。最終目標是制備出新型高性能、溫度穩(wěn)定性好的耦合納米復合磁粉/磁體，為研制更新?lián)Q代的新型永磁磁體和器件提供新型材料。5、多功能異質(zhì)納米復合材料的基礎問題研究化學控制合成具有大聯(lián)結(jié)界面及復合磁光性質(zhì)的多功能異質(zhì)復合納米顆粒，深入理解異質(zhì)成核生長機理，研究復合粒子的電、磁、光、催化等性質(zhì)，組元介質(zhì)間的相互作用、電磁傳輸，以及異質(zhì)相互作用對復合粒子整體物理性質(zhì)的影響，結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系等問題。研究交換耦合相互作用等物理現(xiàn)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(jié)構(gòu)元器件的關(guān)鍵技術(shù)采用新型納米復合磁性材料，通過微觀組織結(jié)構(gòu)和制備工藝的優(yōu)化與控制，解決其取向成型、燒結(jié)和磁性能控制等關(guān)鍵制備技術(shù)，制備中小型永磁電機用定子和轉(zhuǎn)子等磁性元器件，使其剩磁、矯頑力溫度系數(shù)和 穩(wěn)定性等磁性能指標達到或超過目前廣泛使用的傳統(tǒng)永磁器件。研制新一代高性能整體輻向多極永磁環(huán)，有效克服目前廣泛使用拼接磁環(huán)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均高于目前的傳統(tǒng)永磁器件，進一步推動永磁電機向高穩(wěn)定性、高效率和小型化方向發(fā)展。 納米復合軟磁材料關(guān)鍵科學問題：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(shù)。研究納米軟 磁復合材料的微觀結(jié)構(gòu)、力學性能和 軟磁性能相互關(guān)系。闡明材料的尺寸、非晶納米晶復相結(jié)構(gòu)與巨磁阻抗效 應的關(guān)系。研究 納米尺度下材料的磁導率、阻抗和 損耗等性能參數(shù)，與化學成分、晶格 結(jié)構(gòu)、磁晶各向異性常數(shù)、磁致伸縮系數(shù)、晶粒尺寸及粒度分布的關(guān)系。 闡明非晶軟磁合金的結(jié)構(gòu)演化規(guī)律、納米晶的成核、長大與穩(wěn)定機制，建立微觀結(jié)構(gòu)演化與性能之間的相互關(guān)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(jié)構(gòu)和磁性能的穩(wěn)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。 主要研究內(nèi)容：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(shù)。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：500 oC 溫度下，屈服強度? 0.2>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 (550 oC, 600MPa, 5000 小時)；室溫電阻率：40－60 ???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(jié) 構(gòu)參數(shù)、工 藝參數(shù)與力學和 軟磁性能(尤其是高溫性能)的相互關(guān)系, 探索微 觀結(jié)構(gòu)對磁疇運動的影響，為高溫軟磁復合材料組織結(jié)構(gòu)控制、材料設計與制備提供理論依據(jù)。研究材料微觀組織和性能高溫演變規(guī)律。建立系統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)、磁疇相互作用和性能之間定量或半定量的關(guān)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(jīng)晶化處理形成納米晶結(jié)構(gòu)后的軟磁性能及其巨磁阻抗效應。優(yōu)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(jù)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(chǎn)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(guān)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(tǒng)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(jié)構(gòu)的形成和晶粒生長機制不同于傳統(tǒng)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(guān)系的基礎上，研究 FePSiBCu系非晶合金的結(jié)構(gòu)演化規(guī)律，闡明納米晶的成核與長大機制與穩(wěn)定機制，建立相關(guān)理論模型，實現(xiàn)納米軟磁合金的組織結(jié)構(gòu)、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(fā)生和儲能技術(shù)的進步, 解決日益增長的電功率發(fā)生、自起動能力、高速磁 軸承運轉(zhuǎn)和機電 元件的冷卻問題變得非常嚴峻。高溫磁性材料的研發(fā)和使用 , 是實現(xiàn)上述軟磁材料高端應用的關(guān)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(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定性, 及二者的相互關(guān)系。用納 米軟磁復合材料設計 高速電動機轉(zhuǎn)子和高速運轉(zhuǎn)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(guān)鍵基礎性問題。研制微小型的高靈敏度、快速響應、高溫度 穩(wěn)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(shù)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(tài)合金的納米晶化技術(shù)，及其寬、厚帶材的制備與成型技術(shù)，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(jié)能減排型變壓器鐵芯。納米復合磁性薄膜材料關(guān)鍵科學問題：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(guān)鍵。在原子分子層次研究薄膜材料的沉積過程、生長機制、結(jié)構(gòu)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(zhì)量因素，提供納米復合永磁和 軟磁薄膜制備的優(yōu)化參數(shù)組合。實現(xiàn)薄膜可控生長，改善生長環(huán)境和觀測環(huán)境的兼容性。研究薄膜材料尺寸的變化對材料的內(nèi)稟磁性的影響，理解材料內(nèi)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(zhuǎn)換規(guī)律。從而在納米復合磁性薄膜材料中發(fā)現(xiàn)一些新的物理現(xiàn)象。解決適用于微特電機的厚膜制備的技術(shù)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(zhì)等提供磁性薄膜材料基礎。主要研究內(nèi)容：1、各向異性納米復合永磁薄膜材料的結(jié)構(gòu)設計和可控制備技術(shù)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(fā)展設計、制備、表征各向異性納米復合永磁薄膜材料的技術(shù)，制備性能穩(wěn)定的高磁能積納米復合永磁薄膜材料。選定 Nd2Fe14B/?-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(tǒng)研究永磁薄膜的厚度、晶粒尺寸、相結(jié)構(gòu)、界面結(jié)構(gòu)等與磁性的關(guān)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(jié)構(gòu)和磁性的影響。掌握影響各向異性納米復合永磁薄膜結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)鍵性工藝條件，如：最佳硬磁相成分、多層 膜厚度和周期、 襯底溫度、退火溫度和時間等。實現(xiàn)硬磁相和軟磁相的最佳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(shù)難題（如應力導致襯底和薄膜剝離、薄膜彎曲等）。可控制備出性能穩(wěn)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(jié)構(gòu)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(zhì) 量數(shù)、能量分布等各種相關(guān)物理參數(shù)，建立可靠的生長模式與物理條件間的聯(lián)系。系統(tǒng)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(jié)構(gòu)表征手段在納米原子尺度進行界面結(jié)構(gòu)的表征和缺陷觀察。研究界面結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、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(jié)合的辦法對界面原子結(jié)構(gòu)、界面偏析進行三維分析，將促進對界面結(jié)構(gòu)、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(tǒng)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(guān)系。隨厚度變薄或晶粒變小，自發(fā)磁化、磁各向異性、矯頑力、相變溫度都發(fā)生變化。當薄膜厚度（或晶粒大?。┬∮谝?臨界值時，將 喪失永磁性等。研究表面的晶體 結(jié)構(gòu)、電子 結(jié)構(gòu)、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(guān)系。研究若干典型納米結(jié)構(gòu)薄膜基本磁性、電磁響應等，建立典型納米多層膜中能量轉(zhuǎn)化的微觀物理模型。系統(tǒng)地研究磁性薄膜材料的相組成、相結(jié)構(gòu)、相 轉(zhuǎn)變 與磁性能的關(guān)系，以及 納米復合機制和矯頑力機制等，深入理解物質(zhì)在介觀尺度的結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(tǒng)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(jié)構(gòu)等對納米復合機制的影響。系統(tǒng)地研究磁性薄膜材料的磁性交換耦合機制，進一步發(fā)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(jié)構(gòu)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(guān)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(guān)聯(lián)、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(guān)聯(lián)等。提出與磁晶各向異性有關(guān)的鐵磁與鐵磁、鐵磁與反鐵層（或亞鐵磁層）交換耦合統(tǒng)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(shù)。研究生長條件對材料結(jié)構(gòu)的影響。調(diào)節(jié)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(tài)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(zhuǎn)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(guān)系。 為設計 和制造的新型電磁能量轉(zhuǎn)換器件提供材料基礎。納米復合磁性材料的腐蝕規(guī)律與防護技術(shù)關(guān)鍵科學問題：在理論方面揭示納米復合磁性材料在使役環(huán)境中的腐蝕規(guī)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(shù)體系，并給出綜合性能優(yōu) 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(yōu)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(huán)境中的腐蝕規(guī)律以及高溫氧化行為和腐蝕規(guī)律。 納米復合磁性材料的界面結(jié)構(gòu)以及其與防護涂層的界面結(jié)構(gòu)對抗腐蝕性、抗氧化性、熱穩(wěn)定性等使役行為的影響。主要研究內(nèi)容：1、新型納米復合磁性材料在我國幾種典型大氣環(huán)境中的腐蝕規(guī)律側(cè)重探討目前最有前景的納米復合磁性材料（如 Nd-Fe-B/?-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(huán)境中的腐蝕失效機制，典型環(huán)境以侵 蝕性較強的污染工業(yè)大氣、高濕高熱的海洋大氣為主，探討 不同使役環(huán)境中材料的腐蝕演化規(guī)律，確定影響腐蝕演化進程的關(guān)鍵因素，找出反映腐蝕進程的關(guān)鍵參數(shù)， 為材料腐蝕失效的實時監(jiān)、 檢測提供必要的理論依據(jù)。2、新型高溫磁性材料的高溫氧化行為、腐 蝕規(guī)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(wěn)定性、反應的動力學和熱力學參數(shù)、反應過程控制參數(shù)、反應過程后的組 分構(gòu)成和相結(jié)構(gòu)特征。3、Sm(Co,Fe,Cu,Zr)z 高溫磁體的腐 蝕與防護技術(shù)研究從化學穩(wěn)定性的角度，研究高溫環(huán)境與 Sm(Co,Fe,Cu,Zr)z 磁體的相互作用。研究在長期的高溫環(huán)境下， Sm(Co,Fe,Cu,Zr)z 材料的成分以及微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，揭示材料的“ 腐蝕行為－磁性退化 ”之間的內(nèi)在聯(lián)系。 設計和制備性能優(yōu)異的專門用于 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(jié)合，最終 使 Sm(Co,Fe,Cu,Zr)z 高溫磁體能夠長期穩(wěn)定地工作在 500?C 環(huán)境中。4、新型納米復合磁性薄膜材料的防護技術(shù)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?藝 參數(shù)條件下制備的 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(jié)構(gòu)和膜厚等相關(guān)參數(shù)對膜的結(jié)合強度、腐蝕行為以及磁性能的影響規(guī)律；為研制在特定使役環(huán)境下具有強結(jié)合力、最佳耐蝕性能和對磁性影響最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(jù)。5、納米復合磁性材料的界面結(jié)構(gòu)對抗腐蝕性、抗氧化性的影響抓住納米復合磁性材料的界面結(jié)構(gòu)這一環(huán)節(jié)，利用先進顯微技術(shù)表征功能薄膜材料的界面結(jié)構(gòu)，包括 襯底/薄膜、薄膜/薄膜、薄膜/ 保護膜、薄膜/真空等界面及表面的結(jié)構(gòu)和形貌特征。研究納米復合磁性材料中的顯微結(jié)構(gòu)與缺陷、界面結(jié)構(gòu)對抗腐蝕性、抗氧化性等各種使役特性的影響，分析歸納微結(jié)構(gòu)、界面 結(jié)構(gòu)與材料組分及抗腐蝕性、抗氧化性的關(guān)系的規(guī)律。研究復合磁性材料／防護涂層的界面結(jié)構(gòu)對涂層的結(jié)合強度和腐蝕性能的影響。二、預期目標總體目標本項目集中國內(nèi)在納米復合磁性材料制備、表征與性能研究方面的優(yōu)勢力量，經(jīng)過 5 年的努力，研究納米復合磁性材料的可控制備過程、生長機制、 結(jié)構(gòu)特征、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和尺寸效應，從一個較為統(tǒng)一的角度來理解納米復合磁性材料的行為規(guī)律。建立一個磁性基礎 理論來解釋納米復合磁性材料中磁性耦合現(xiàn)象從微觀、介觀 到宏觀的關(guān)聯(lián)，并適用于納米復合永磁及軟 磁材料， 為納米復合磁性材料的設計、制備及其實用化提供科學依據(jù)。在納米復合磁性材料的納米結(jié)構(gòu)的可控制備、表征和性能的研究及技術(shù)方面做出重要創(chuàng)新，研制出擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能納米復合磁性材料及器件。建立納米復合磁性材料及器件的科學研究基地，建立和完善納米復合磁性材料制備、表征和性能、服役行 為以及防護研究的知識體系，并研制出具有 實用性的納米復合磁性元器件，為我國大規(guī)模應用納米復合磁性材料奠定基礎，指導二十一世紀磁性材料的應用實踐。五年目標● 探索制備納米復合永磁及軟磁材料的新工藝，解決納米復合磁性材料制備的穩(wěn)定性問題。發(fā)展表征納米復合磁性材料相結(jié)構(gòu)、表面和界面結(jié)構(gòu)的動態(tài)觀察新方法，研究納米復合磁性材料性能與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，解決納米復合磁性材料的可控制備、表征和應用中的生長機制以及條件、界面結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系等一些重大基礎問題，闡明納米晶的成核與長大機制與穩(wěn)定機制，建立相關(guān)理論模型，實現(xiàn)納米復合結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸和磁性能的可控制備。探索新型納米復合永磁材料的取向成型、燒結(jié)和磁性能控制等關(guān)鍵制備技術(shù)。為制備高性能的納米復合磁性材料提供理論指導?！?研究納米復合永磁及軟磁薄膜材料的制備過程、生長機制等。系統(tǒng)研究各種工藝參數(shù)對薄膜摩爾組分、均勻性和生長率的影響，為制備高品質(zhì)的功能薄膜材料奠定理論基礎?！?研究和總結(jié)納米復合磁性材料的磁性隨尺寸變化的規(guī)律，揭示納米復合磁性材料本征特性的尺寸效應的本質(zhì)。建立一個基本電磁理論解釋納米復合磁性材料中磁性耦合現(xiàn)象從微觀、介觀到宏觀的關(guān)聯(lián)，并適用于納米復合永磁及軟磁材料，為納米復合磁性材料的設計、制 備及其實用化提供堅實的科學依據(jù)?！?研究納米復合磁性材料的抗氧化性、抗腐蝕性和功能退化、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和性能可靠性等服役行為，發(fā)展有關(guān)的防護技術(shù)， 為制備結(jié)構(gòu)和性能可靠的高性能納米復合磁性材料提供技術(shù)支持?！?通過材料的成分設計和優(yōu)化，研制出擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的納米復合永磁及軟磁材料。并制備出高性能的納米復合磁性薄膜材料以及飽和磁化強度大于 1.5T 的新型納米塊體軟磁材料。合成具有 優(yōu)異軟磁性能的、用于磁敏傳感器芯體的新型 Co 基非晶納米晶復合合金。● 設計并制備出 4-5 種具有重要應用前景的納米復合磁性材料器件。對其使用性能和服役行為進行綜合測試和分析。探索制備實用性高頻開關(guān)電源主變壓器用軟磁器件、高速電動機轉(zhuǎn)子和高速運轉(zhuǎn)磁軸承、磁敏傳感器芯體等。在國際學術(shù)刊物上發(fā)表高水平 SCI 收錄論文 200 篇以上，申請發(fā)明專利 20項以上?！?培養(yǎng)中青年學術(shù)帶頭人 10-20 名，在國際上有一定影響的知名專家 3-5 名，建立若干達到國際先進水平的納米復合磁性材料研究基地。三、研究方案1.學術(shù)思路： 高性能納米復合磁性材料和相關(guān)器件的制備是本項目研究和應用的基礎。本項目針對納米復合磁性材料在電子、電工等領(lǐng)域應用存在的基礎性問題開展研究。納 米復合磁性材料中 納米晶體在不同條件下的生長機制研究是在納米尺度設計和制備相關(guān)材料的關(guān)鍵性問題。對材料的相結(jié)構(gòu)、界面結(jié)構(gòu)的表征是發(fā)展高性能納米復合磁性材料的關(guān)鍵之一。對不同納米結(jié)構(gòu)的復合磁性材料中的磁性交換耦合的深入理解也是獲得高性能納米復合磁性材料以及薄膜的關(guān)鍵。研究高性能納米復合磁性材料的結(jié)構(gòu)和抗氧化性、抗腐蝕性的關(guān)系對在電子、電工等領(lǐng)域應用相關(guān)材料和器件有非常重要意義。本項目圍繞上述四個方面的基礎性問題設立課題，開展相關(guān)研究工作，可望在這四個方面的基礎研究同時取得突破，使其能迅速走向?qū)嵱没τ谏鲜鏊膫€關(guān)鍵性問題 ，將 項目分解為四個研究課題。課題 一和課題二分別 致力于發(fā)展新型高性能的納米復合永磁和軟磁材料。課題三集中于制備和表征納米復合磁性薄膜材料。通過課題一、課題二和課題三對生長機制、結(jié)構(gòu)表征、磁性交換耦合的共同研究，從一個統(tǒng)一的角度來理解納米復合磁性材料的行為規(guī)律。 課題一、 課題二和課題 三還用獲得的高性能磁性材料設計和制備具有應用前景的器件。課題四研究各課題共同關(guān)心的納米復合磁性材料在電子、電工等領(lǐng)域 實際應用方面的抗氧化性、抗腐蝕性等關(guān)鍵性服役行為問題。本 項目以基礎研究 為前導， 結(jié)合我國資源特點和應用的需求，研究宏 觀磁性和微觀結(jié)構(gòu)的聯(lián)系，以期探索新材料、揭示新現(xiàn) 象、開 發(fā)新應用。與各課題相關(guān)的研究方案和技術(shù)途徑分解如下：2. 技術(shù)途徑： 納米復合永磁材料本課題任務之一是探索能夠?qū)崿F(xiàn)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。利用納米耦合和間隙原子效應調(diào)節(jié)和改變材料的交換作用強度、磁晶各向異性、飽和磁化強度，從理論和實驗相互結(jié)合上開展交換彈性耦合效應及間隙原子效應研究，包括電子能帶結(jié)構(gòu)、晶場作用計算，為有效地調(diào)控材料的內(nèi)稟磁性提供依據(jù)，建立易于實現(xiàn)納米耦合和高矯頑力的條件。解決問題的方式在于新的思維、新的工藝。除了采用快淬、 HDDR 等多種實驗手段探索適宜可控制備納米結(jié)構(gòu)材料的方法外，本課題任務之二是嘗試化學相分離法制備的可能性。特 別是重視發(fā)展以 bottom-up 化學過程+ 快速燒結(jié)為主導的技術(shù)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(shù)瓶頸。制 備 過 程 中 出 現(xiàn) 新 型 亞 穩(wěn) 相 往 往 會 對 材 料 的 磁 性 能 產(chǎn) 生 顯 著 的 影 響 。系 統(tǒng) 地研 究 納 米 復 合 永 磁 材 料 中 的 平 衡 相 及 亞 穩(wěn) 相 的 相 結(jié) 構(gòu) 、形 成 條 件 和 結(jié) 構(gòu) 穩(wěn) 定性 。用 bottom-up 化學過程 制備各向異性生長的納 米復合永磁體，其最大的優(yōu)點在于納米顆粒分布均勻、相分布有序并形成最佳的磁疇結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)相內(nèi)、相 間的交換耦合作用。通過成分設計 、原子比、電負性和溫度的影響來研究 亞穩(wěn)相形成的可能性，解決納 米 復 合 永磁合金的穩(wěn)定性問題?？?制 納 米 復 合 永 磁 材 料 的 晶 粒 尺 寸 和 微 觀 結(jié) 構(gòu) , 得 到 最 佳 永 磁 性 能 的 材料 ，研 究 其 最 佳 磁 性 作 用 機 制 ，確 定 相交換耦合結(jié) 構(gòu)的形成條件。 首先從實驗測定的總交互作用中分離出對磁化過程直接相關(guān)的短程交換和長程磁偶極交互作用。然后研 究 納 米 復 合 永 磁 材 料 中 各 相 的 晶 粒 微 觀 組 織 結(jié) 構(gòu) 、大 小 及 分 布 ，建 立 微 觀 結(jié) 構(gòu) 與 磁 性 能 關(guān) 系 的 理 論 模 型 。從理論上分析不同結(jié)構(gòu)的納 米 復 合磁 性 材 料 中導致磁性耦合的臨界尺寸與微觀結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)和改變材料的交換作用強度、磁晶各向異性、飽和磁化強度，建立 實現(xiàn)納米耦合的條件。研究磁性與原子占位、點陣畸變、磁性原子間的耦合，特 別是在相界 處耦合作用的關(guān)聯(lián)性，該方法是本研究的創(chuàng)新點之一。本課題的任務之三是在上述研究基礎上研制具有實用性的永磁元器件。通過微觀組織結(jié)構(gòu)和制備工藝的優(yōu)化與控制，解決其取向成型、燒結(jié)和磁性能控制等關(guān)鍵制備技術(shù)，探索元器件制備、加工 對材料微觀組織結(jié)構(gòu)與性能的影響規(guī)律，掌握元器件制備的關(guān)鍵技術(shù)及其與材料制備和性能之間的相互關(guān)系，制備具有實用性的新型永磁元器件。納米復合軟磁材料本課題任務之一是制備高性能的高溫納米軟磁復合材料。為使之同時具備優(yōu)良的力學性能和軟磁性能，采用一系列新制備工藝：1. 采用化學還原法和離心霧化法制備 FeCo、FeCoM(M=過渡族金屬)和 FeCoB 離子；2.應用正硅酸乙酯水溶法和球磨法等將 FeCo 基粒子表面均勻 Al2O3 氧化物 層；3.采用等離子體輔助成型和沖擊成型法，將有氧化物的 FeCo 基磁性粒子 壓制成高密度納米顆粒軟磁復合體；4.采用化學鍍和電化學沉積方法，在 W、B 和 C 等連續(xù)纖維表面沉積 Ni或 Cu 薄層。5.同時把間隙原子效 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。涂層材料的選擇基于以下考慮: (1) Cu 元素與Fe 和 Co 元素互不相溶。采用 Cu 涂層可減少復合材料界面反應；(2) Ni 和 B 元素可與 FeCo 合金形成矯頑力更低的軟磁材料；5.將 FeCo 基納米粒子(無氧化物覆層)與連續(xù)纖維制備成纖維增強軟磁復合材料；6. 將 FeCo 基納米粒子(有氧化物覆層) 與 連續(xù)纖維 制備成纖維增強軟磁復合材料。上述方法制備的 FeCo 基納米軟磁復合材料具有良好的軟磁性能、力學性能、微觀組織溫度穩(wěn)定性、高 頻磁性能。探索、發(fā)現(xiàn) 新型高飽和磁化強度鐵基軟磁材料，并研究其納米晶粒的生成機理及穩(wěn)定機制，及由此帶來 優(yōu)異軟磁性能的原因。本課題任務之二為：（1）研制微小型的高靈敏度、快速響應、高溫度穩(wěn)定性、低功耗、表面貼片元件電路的 GMI 傳感器。研究能最大發(fā)揮 FeCo 基非晶納米晶復合軟磁材料最高靈敏度的電路。 （2）研究 Fe 基非晶態(tài)合金的納米晶化技術(shù)，及其寬、厚 帶材的制備與成型技 術(shù)，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(jié)能減排型 變壓器鐵芯。 （3）設計并制造可在高溫下使用納米軟磁復合材料的器件, 初步定為高速電動機轉(zhuǎn)子和高速磁性軸承。研究內(nèi)容為材料微觀組織結(jié)構(gòu)、力學性能、軟磁性能以及高溫性能演變規(guī)律及相互關(guān)系的研究。采用 TEM、HRTEM、中子衍射等研究 FeCo 基軟磁材料、Fe基納米軟磁合金的組織結(jié)構(gòu)參數(shù)對軟磁和力學性能的影響。測量高溫下軟磁復合材料的性能變化, 建立微 觀結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能的相互關(guān)系。探索微觀結(jié)構(gòu)對磁疇運動、矯頑 力的影響, 特 別是界面結(jié)構(gòu)對磁疇壁的釘扎作用。建立系統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能之間定量或半定量的關(guān)系。設計并制備 B 和 C 纖維增強 FeCo 基軟磁復合材料和大尺寸 Fe 基納米軟磁材料, 發(fā)展納米材料制備新技術(shù)。本課題的另一個特點是 FeCo 納米顆粒氧化物涂層的引入，會同時提高材料的力學性能、軟磁性能和溫度穩(wěn)定性，得到 結(jié)構(gòu)－功能一體化的新材料及具有實用性的高飽和磁化強度 Fe 基軟磁納米合金，豐富納米復合材料體系和制備技術(shù)。研究納米軟磁復合材料微觀結(jié)構(gòu)和使用性能的相互關(guān)系, 尤其是改材料在高溫、高應力、輻照輻射條件微觀組織和性能的演變規(guī)律。納米復合磁性薄膜材料采用磁控濺射方法可控制備磁性多層膜體系，用 X-射線衍射、透射電子顯微鏡及能譜分析等方法研究材料相組成、成分、結(jié)構(gòu)形貌、顆粒及晶粒尺寸分布、平均晶粒尺寸等。用磁力顯 微鏡觀察薄膜的磁疇結(jié)構(gòu)，用 SQUID 磁強計測量薄膜樣品的磁性，用四點法測 量薄膜樣品的電性。 選用 單晶硅或耐高溫的陶瓷玻璃作為襯底，用鈦、鉬等純金屬作為緩沖層和保護層；采用熔煉及傳統(tǒng)的粉末冶金法制備出所需永磁合金靶材，采用高純度的 Fe、Co、Ni 或 FeCo、SmCo、NdFeB合金作為鐵磁靶，用 Cr、Co 或 Ni 等的氧化物反鐵 磁靶；采用磁控濺射方法，采用不同襯底加熱溫度或?qū)⒂泊畔嗷蜍洿畔嗯c反鐵磁層按一定的厚度和層數(shù)直接構(gòu)成多層膜，再通過控制適當溫度和時間的真空退火處理條件得到硬磁和反鐵磁層組成的磁性多層膜體系。本項目的主要技術(shù)創(chuàng)新就是，通過可控制備技術(shù)制備具有各向異性生長的納米復合永磁薄膜，突破制備高性能的磁性薄膜材料的技術(shù)瓶頸。 薄膜生長機制的研究是一項富有挑戰(zhàn)性的工作。不同的薄膜材料通過不同的生長方法在不同襯底上實現(xiàn)可控生長，影響因素和其所涉及的有關(guān)原子過程是多樣的。大致的研究方案 為：建構(gòu)簡單的原子模型，結(jié)合第一性原理計算，研究界面相結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，理解生 長初期相選擇機制，研究薄膜制備過程。用 SEM研究生長初期的形核過程，用高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)獲取形核面、界面的高分辨相來研究生長初期結(jié)構(gòu)的演化，結(jié)合原子模型推測其生長機理。研究生長參數(shù)對材料的結(jié)構(gòu)、與襯 底的結(jié)合強度、表面形貌的影響。 發(fā)展表面表征、結(jié)構(gòu)表征及納米原子尺度成分分析研究相結(jié)合的技術(shù)，利用 HRTEM、原子分辨的掃描隧道顯微鏡(STM)、原子力 /磁力顯微鏡(AFM/MFM)等表征薄膜材料的顯微結(jié)構(gòu)、界面結(jié)構(gòu)、缺陷、磁疇 結(jié)構(gòu)等。從微觀結(jié)構(gòu)的角度研究能量轉(zhuǎn)換物理機制。將微結(jié)構(gòu)表征與物理性能相結(jié)合，深入地揭示和深化對此類材料的系統(tǒng)的認識。研究納米復合磁性薄膜材料具有好性能和最佳交換耦合的原因，從而對原有材料進行改性和探索新薄膜材料。對薄膜材料微結(jié)構(gòu)、組分、界面 結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系開展較為深入的研究，抓住微 結(jié)構(gòu)這一環(huán)節(jié)，易于 發(fā)現(xiàn) 材料中存在的一些本質(zhì)現(xiàn)象。納米復合磁性材料的腐蝕與防護磁性材料在使役環(huán)境中的腐蝕（氧化）是不可逆轉(zhuǎn)的的化學反應過程。在自然環(huán)境中，雙相（或多相）納 米復合磁性薄膜或塊體材料因化學性質(zhì)不同的異相物質(zhì)存在， 勢必帶來材料電 化學性質(zhì)的差異， 進而引入了誘發(fā)和加速腐蝕的因素。為此，從化學穩(wěn)定性的角度考 慮，研究雙相（或多相）納米薄膜和塊體材料中局部非均勻腐蝕行為。重點研究材料的初始反應規(guī)律，探討誘發(fā)腐蝕的關(guān)鍵因素，分析腐蝕對材料磁性造成的損傷程度，探索腐蝕控制的新途徑。研究在特定的高溫環(huán)境中，納米復合磁性材料的化學穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和磁性之間的內(nèi)在聯(lián)系。重點研究塊體材料表面氧化物膜的熱生長機制，形成的氧化物膜的性質(zhì)，如致密性、完整性和粘附性以及對后期腐蝕的抑制作用，探求影響氧化物膜性能的關(guān)鍵因素，揭示材料的磁性隨氧化物膜的形成的變化規(guī)律，設計專門的的防護涂層并對涂層氧化行為進行評估。用薄液膜環(huán)境下材料腐蝕的電化學測量方法，如交流阻抗技術(shù)，評價薄膜磁性薄膜或塊體材料的耐蝕性；用 STM、AFM 對典型模 擬大氣腐蝕行為進行原位觀察，觀 察氧化膜的生長規(guī) 律，分析材料異相 間的腐 蝕行為的差異及相互作用；用 TGA，分析磁性材料在高溫環(huán)境下的氧化物膜的 熱生長動力學；用 DSC 對納米磁性材料的熱穩(wěn)定性（晶粒長大、相轉(zhuǎn)變等）進行分析；用 XPS、XRD 等分析技術(shù)對磁性材料的腐蝕(氧化)產(chǎn)物膜進行表征；用 TEM、HREM 等技術(shù)對腐蝕（氧化）產(chǎn)物膜，以及膜?磁性材料界面 進行微觀觀測 。3. 項目創(chuàng)新點和特色本項目的特色主要概括為一個理論基礎、三個規(guī)律、幾個關(guān)鍵材料和器件及其制備科學和一個體系。建立一個電磁基本理論來解釋納米復合磁性材料中磁性交換耦合現(xiàn)象從微觀、介 觀到宏觀的關(guān)聯(lián)，使理 論 適用于不同結(jié)構(gòu)的納米復合永磁和軟磁材料。在原子分子 層次研究納米復合磁性薄膜材料的沉積過程、生長機制等規(guī)律，為可控制備高品 質(zhì)的功能薄膜材料奠定理論基礎。表征納米復合磁性材料相結(jié)構(gòu)、表面結(jié)構(gòu)、界面結(jié)構(gòu)，總結(jié)材料結(jié)構(gòu)與性能之 間關(guān)系的規(guī)律。研究和總結(jié)納米復合磁性材料的磁性以及其它物理特性隨尺寸變化的規(guī)律，揭示納米復合磁性材料本征特性的尺寸效應的本質(zhì)。制備納米復合永磁和軟磁等數(shù)種關(guān)鍵功能材料以及薄膜，并致力于將上述納米復合磁性材料設計和制備成功元器件。建立我國納米復合磁性材料制備、表征、性能和器件研究體系。本項目的創(chuàng)新點有：1) 從一個比較統(tǒng)一的角度來理解納米復合磁性材料的行為規(guī)律，建立適用于不同 納米結(jié)構(gòu)的復合磁性材料中磁性交換耦合現(xiàn)象從微觀、介觀 到宏觀關(guān)聯(lián)的基本理 論；2) 從實驗方面調(diào)節(jié)和改變材料的交換作用強度、磁晶各向異性、飽和磁化強度，探索 滿足實現(xiàn)納米耦合的硬磁新相和軟磁新相；3)研究新型納米顆粒、纖維增強以及兩者共同增強的具有良好的室溫和高溫力學和軟磁性能的軟磁復合材料；4) 探索新型 Fe 基納米軟磁材料的微觀組織結(jié)構(gòu)的形成和納米晶粒生長與控制機制，實現(xiàn)納米軟磁合金的組織結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸和磁性能的可控制備。5) 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(fā)展設計、制備、表征各向異性納米復合永磁薄膜材料的技術(shù)；6) 將根據(jù)各種磁性材料對化學穩(wěn)定性的不同要求，采取不同的研究方法，研究納米復合磁性材料的界面結(jié)構(gòu)對高溫抗腐蝕性、抗氧化性等服役行為的影響。7)設計并制備出 4-5 種具有重要應用前景的納米復合磁性材料器件，包括高速永磁電機轉(zhuǎn)子和定子、整體輻向多極永磁環(huán)、高速運轉(zhuǎn)磁軸承、 實用性高頻開關(guān)電源主變壓器用軟磁器件、磁敏傳感器芯體。4. 研究方案的可行性分析本項目研究方案建立在各單位前期研究成果上，并有理論依據(jù)和實驗基礎。基于以下理由，我們認為本 項目是完全可行的：● 納米復合磁性材料領(lǐng)域是國際學術(shù)發(fā)展的活躍 方向，我國已 經(jīng)有很好的工作基礎和研究積累，與發(fā)達國家差距不大，項目承擔單位一直活躍國際學術(shù)前沿，在納米復合磁性材料、功能薄膜材料的制備、表征和性能及器件研究方面與國際基本同步。● 承擔單位由多個部門的優(yōu)勢單位組合，在相關(guān)的各研究領(lǐng)域各有所長，通過本項目結(jié)成強強聯(lián)合，優(yōu)勢互補， 針對本研究領(lǐng)域的關(guān)鍵性問題開展合作研究，可以在數(shù)個方面突破本領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸?！? 承擔單位有較好的科研條件、較強的研究設備和分析儀器，是我國在納米復合磁性材料及器件領(lǐng)域的基地型研究單位，能有效地開展工作?！? 研究方向和課題設置合理，開展的研究問題都是本領(lǐng)域的重要關(guān)鍵問題，研究方案可行，研究路線正確。在 bottom-up 化學過程可控制備各向異性納米復合磁性材料、磁控濺射法可控制備各向異性納米復合磁性薄膜材料、納米復合磁性材料的服役行為等研究方面均有技術(shù)創(chuàng)新以及技術(shù)儲備。● 研究隊伍由老中青結(jié)合，由富有 創(chuàng)新意識的中青年學術(shù)帶頭人擔任課題負責人，并注意到不同學科的結(jié)合和交叉，有利于 創(chuàng)建新的生長點?！? 項目首席科學家張志東研究員已在納米復合磁性材料領(lǐng)域做出較高學術(shù)水平的工作，具有開拓創(chuàng)新意識，有 較強的組織協(xié)調(diào)能力，能夠領(lǐng)導、組織各方面的力量完成本項目。5. 項目的組織方式項目實行首席科學家和課題負責人分級負責制。成立由不同層次科技人員和管理專家參加的項目理事會，負責課題、人 員的評審和篩選以及項目執(zhí)行情況的檢查工作；聘請國內(nèi)學術(shù)界和國外相關(guān)專家組成評估委員會，負責研究成果的評估和鑒定工作。將每年至少召開一次全國性學術(shù)研討會，促進國內(nèi)外學術(shù)交流，推動我國納米復合磁性材料和器件的研究向深層次發(fā)展。嚴格按照科技部的有關(guān)規(guī)定實施。四、年度計劃第一年：文獻調(diào)研，實驗前期準備工作?？煽睾铣筛飨虍愋源判约{米復合顆粒，包括硬磁材料 FePt、CoPt 和軟磁材料 Fe、CoFe、Co、Ni 及其氧化物等 納米晶體。探索合成 SmCo5、Sm2Co17 基納米復合顆粒。 制備 FeCo 基磁性納米顆粒、氧化物涂 層、FeCo-氧化物復合 軟磁材料。研究顆粒尺寸、化學成分、相組成、晶粒尺寸、疇結(jié)構(gòu)等軟磁和力學性能的影響。發(fā)展在納米尺度設計納米復合磁性材料以及薄膜材料的微觀結(jié)構(gòu)和功能特性的技術(shù)，研究制備納米復合磁性材料的工藝過程。觀測納米復合磁性材料如 Nd-Fe-B/?-Fe 在幾種典型大氣中服役的腐蝕演化規(guī)律，確定影響腐蝕演化進 程的關(guān)鍵因素。第二年：理論計算不同材料的電子能帶結(jié)構(gòu)、晶場作用影響，為有效調(diào)控材料的內(nèi)稟磁性提供依據(jù)。研究合金非平衡凝固過程的相 形 成 規(guī) 律 及結(jié)晶過程中的晶體學生長特征。研究納米晶的生 長機制、 結(jié)構(gòu)特征、 結(jié)構(gòu) 穩(wěn)定性和性能可靠性，深入理解納米復合磁性材料的納米晶在生長過程中的行為。探索高度單分散的磁性納米材料的大量合成方法，通過 shock-compacting、快速燒結(jié)等方法合成塊體納米復合耦合磁體?；瘜W合成 Sm2Co17、Nd2Fe14B 納米顆粒，并與 FeCo 等軟磁組 分耦合，探索硬磁與 軟磁 組元耦合作用制備耦合磁體的化學方法。 利用交換彈性耦合效應及間隙原子效 應調(diào)節(jié)和改變材料的交換作用強度、磁晶各向異性、飽和磁化強度，制備出硬磁與 軟磁耦合的納米復合永磁材料。研究軟磁材料中的間隙原子效應，尋求飽和磁化強度高于 Fe-Co 合金的間隙型軟磁材料。研究纖維增 強氧化物涂層 FeCo 基納 米軟磁復合材料中纖維尺寸及相對量、 Cu 薄層厚度及微 觀組織、復合工 藝參數(shù)和性能的關(guān)系。研究非晶相與納米相的含量、晶粒尺寸與成分和工藝之間的關(guān)系，制備飽和磁化強度高于 1.55T 的 Fe 納米晶軟磁合金。研究 Co 基非晶合金晶化條件與組織結(jié)構(gòu)間的關(guān)系。利用 X 射線、原子力顯微 鏡、高分辨電鏡等研究納米復合磁性材料的相組成、相結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸及界面結(jié) 構(gòu)等。確定表面和界面 結(jié) 構(gòu)對磁性的影響。制備納米復合磁性薄膜材料，研究在生長功能薄膜材料中的襯底預處理方法對生長過程和薄膜性質(zhì)的影響。用掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡研究薄膜的生長機制、工藝條件與結(jié) 構(gòu)和磁性的關(guān)系。進行納米復合磁性材料如 Nd-Fe-B/?-Fe 的化學鍍 Ni-P 工藝的初步探討，確定磷含量、鍍層厚度以及對 磁性能的影響。研制高低磷含量的匹配的梯度結(jié)構(gòu)的涂層，優(yōu) 化涂層的整體服役 防護性能，并使得 對磁性能的影響降至最低。第三年：理論分析納米復合永磁材料的耦合原理以及實現(xiàn)最佳磁性耦合的微觀結(jié)構(gòu)特征和軟磁相的臨界尺寸。 調(diào)節(jié)和改變材料的交換作用強度、磁晶各向異性、 飽和磁化強度，提高具有高矯頑 力的硬磁相和高飽和磁化強度的軟磁新相的磁性能。建立易于實現(xiàn)納米耦合的模型與條件，實現(xiàn)納 米 復 合 永 磁 材 料 的 晶 粒 尺 寸和 微 觀 結(jié) 構(gòu) 的 設 計 和 可 控 性 。研究軟磁納米粒子包覆對 Nd2Fe14B、 SmCo5、 Sm2Co17 和 R-Fe-N 磁粉綜 合性能的影響。制備高度單分散的異質(zhì)復合納米顆粒，包括磁性組元如 FePt、Fe3O4、FeCo與發(fā)光組元 Au, CdS 等，復合結(jié)構(gòu)中組元應有大的 聯(lián)結(jié)界面。研究 FeCo 基納米軟磁復合材料高溫下的行為、微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)高溫演變規(guī)律及其對材料力學性能和磁性能的影響。建立上述微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)、溫度和材料性能的相互關(guān)系，進行理論分析和模型建立。研究 Fe 基非晶合金的結(jié)構(gòu)演化規(guī)律，闡明納米晶的成核與長大機制與穩(wěn)定機制，實現(xiàn)納米軟磁合金的 組織結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸和磁性能的可控制備。研究 Co基非晶納米晶復相結(jié)構(gòu)與巨磁阻抗效應，尖刺巨磁阻抗效應的關(guān)系，獲得最佳Co 基非晶 納 米晶復相結(jié)構(gòu)。研究生長參數(shù)對納米復合磁性薄膜材料的結(jié)構(gòu)、與襯底的結(jié)合強度、表面形貌的影響。發(fā)展在原子分子尺度定量表征薄膜材料微觀結(jié)構(gòu)的電子顯微技術(shù)，研究納米復合磁性薄膜材料的相結(jié)構(gòu)、相組成和相形成的條件。研究納米復合磁性薄膜材料的尺寸效應。研究使役溫度從 300 度-870 度的新型納米復合軟磁和永磁材料的高溫氧化行為、化學 穩(wěn)定性、反應的動力學和熱力學參數(shù)、反應過程控制參數(shù)、反應過程后的組分構(gòu)成和相結(jié)構(gòu)特征。 設計使役溫度下的防護涂層（Ni-Cr-Al 型納米晶膜和納米晶 Ni（或 Ni-Fe）／Cr 或 Al 納米粒子復合膜）的組成結(jié)構(gòu)以及研究對高溫氧化行為和基材磁性的影響。第四年：采用多種實驗手段探索適宜可控制備納米復合結(jié)構(gòu)的方法。探索能夠?qū)崿F(xiàn)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。探索實現(xiàn)硬磁晶粒排列取向呈現(xiàn)織構(gòu)的方法。掌握機械合金化、快淬、HDDR 、相分離法、納 米晶快速燒結(jié)致密化和熱變形等方法可控制備 NdFeB 基、R-Fe-N 基、新型 Co 基 1：7 相為主體的納 米 復 合 永 磁 材 料 的成分設計及工藝條件。提高稀土-鐵-氮化物各向異性磁粉和納米雙相耦合磁粉的性能。研究復合材料界面結(jié)構(gòu)和界面相析出對磁疇壁的釘扎作用。研究軟磁復合材料對磁性矯頑力的影響以及磁性顆粒的磁性交互作用及與顆粒尺寸、氧化涂層和厚度、增強纖維尺寸和相 對量的關(guān)系。優(yōu)化條件化學合成 Sm2Co17, Nd2Fe14B 基耦合磁體，提高復合磁體磁能 積，探索合成 SmFeC(N)納米復合材料的化學途徑。研究異質(zhì)納米復合粒子中，化學合成對樣品結(jié)構(gòu)的影響，組元組成和尺寸、聯(lián)結(jié)界面對異質(zhì)組元間的電子、能量傳輸?shù)扔绊?，建立結(jié)構(gòu)與復合粒子性質(zhì)的關(guān)系。并建立簡單的合成多功能異質(zhì)納米復合顆粒的化學方法。建立 Fe 基非晶合金納米晶化的理論模型，完善制備工藝，制備飽和磁化強度大于 1.55T 的納米晶軟磁合金。研究最佳 Co 基非晶 納米晶復相結(jié)構(gòu)與傳感器靈敏度、頻響、功耗和直流測量穩(wěn)定性之間的關(guān)系。研究磁性薄膜材料的界面結(jié)構(gòu)和形貌，研究材料的電、磁等功能在納米尺度復合。系統(tǒng)地研究磁性薄膜材料的相組成、相 結(jié)構(gòu)與磁性能的關(guān)系，以及矯頑力機制等。進行納米復合磁性薄膜材料的脈沖電鍍及其鍍層性能的優(yōu)化。研究鋅鎳鍍層的脈沖電鍍，電鍍技術(shù)參數(shù) 對鍍層性能的影響，以及陰極析氫的可能影響作用。對納米磁性材料進行離子鍍鋁，對所制備的涂鍍層在典型模擬環(huán)境中的服役行為進行表征與研究，探究其相 應的環(huán)境退化機制。第五年：發(fā)展適合于生產(chǎn)的納米復合永磁可控制備工藝?；灸軌?qū)崿F(xiàn)納米永磁材料在室溫及高溫的結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定性、抗腐蝕性、應力穩(wěn)定性、 時效穩(wěn)定性以及節(jié)能性要求（低成本）。以 滿足實現(xiàn)逐步從單體優(yōu)異性能向綜合最佳性能方向發(fā)展。制 備出一系列高性能稀土-鐵-氮化物基粘結(jié)磁體。研制實用性元器件。合成 SmFeC(N)納米復合材料。通過外場誘導作用，獲得耦合納米復合材料制備各向異性納米粒子單層膜。獲得各向異性永磁納米復合磁體和多功能材料。研究復合粒子的電、磁、光、催化等性質(zhì)，深入理解組元介質(zhì)間的相互作用對磁性增強的貢獻， 建立異 質(zhì)復合納米粒子模型， 為設計磁性增強新一代多功能磁體和材料提供理論基礎。FeCo 基 軟磁復合材料宏量制備工藝的研究。重點研制高溫電驅(qū)動裝置及在航空的應用。研究復合材料微 觀結(jié)構(gòu)、界面 結(jié)構(gòu)和性能的溫度穩(wěn)定性，建立 較為完整的材料微觀組織結(jié)構(gòu)、性能和溫度的理論模型。制備厚度 40um、寬度 50mm 的 Fe 基納米軟磁合金，試制可用于各種形式的高頻開關(guān)電源中的大中小功率主變壓器、控制變壓器鐵芯帶材，并制成實用性產(chǎn)品。研究批量生產(chǎn)微磁傳感器芯體用 Co 基非晶納米晶合金的工 藝流程及其工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)。研究磁性交換耦合機制和納米復合效應，研究材料在低維條件下的本征特性，建立薄膜材料在納米尺度復合的理論模型。研究納米復合磁性材料中的顯微結(jié)構(gòu)與缺陷、界面結(jié)構(gòu)對抗腐蝕性、抗氧化性等各種服役特性的影響，分析歸納微結(jié)構(gòu)、界面 結(jié) 構(gòu)與材料組分及抗腐蝕性、抗氧化性的關(guān)系的規(guī)律。發(fā)展一種具有自主知識產(chǎn)權(quán)的納米復合永磁材料。發(fā)展一種具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能納米軟磁復合材料。獲得一種新型高磁性能納米復合永磁薄膜材料。設計并制造 4-5 種納米磁性復合材料器件或裝置，如高速永磁電動機轉(zhuǎn)子和定子、整體輻向多極永磁環(huán) 、高速運 轉(zhuǎn)磁軸承和磁敏 傳感器芯體等實用性元器件。