新能源汽車、風力發電和工業機器人等新興產業的快速發展對高功率永磁電機提出了急迫的需求，而高溫內稟磁性能強且低成本的ThMn12新型永磁有望成為高功率永磁電機的首選材料。然而，由于ThMn12型SmFe12相的亞穩特性，需加入大量非磁性元素以穩定ThMn12相，但隨著穩定元素加入ThMn12相的飽和磁化強度μ0Ms急劇下降。因此，同時保持高的相穩定性和磁性能是目前ThMn12新型永磁產業化面臨的一大難點。近期研究發現稀土位Y元素的替代可以提升相穩定性從而大幅增強ThMn12相的μ0Ms，但由于Y元素不具備4f電子也急劇降低了ThMn12相的各向異性場μ0Ha。

最近，杭州電子科技大學趙利忠老師團隊提出了一種利用調幅分解在(Sm, Y)Fe12基磁體中自發構建核殼結構的方法，實現了ThMn12磁體相穩定性和內稟磁性能的同步提升，從而突破了以上難點。研究表明，通過Y、Co和Ti元素的協同優化以及核殼結構的構筑，獲得了μ0Ha為9.24 T和μ0Ms為1.52 T的高性能磁體。同時磁體中較低的軟磁α-Fe含量也預示該磁體具有較好的產業化前景，適合規模化生產。作者團隊結合球差透射電鏡等表征手段和模擬計算，闡明了Y、Co和Ti元素添加對磁體相穩定性和內稟磁性能的影響機制、核殼結構形成機理及其與高磁性能之間內在聯系，為高性能永磁體的設計和制備提供了一種重要策略。相關研究成果以“Intrinsically High Magnetic Performance inCore-shell Structural (Sm, Y)Fe12-based Permanent Magnets”為題發表在《Advanced Materials》上。其中杭電稀土永磁團隊負責人趙利忠研究員為第一作者，張雪峰教授為通訊作者，鋼鐵研究總院李衛院士為通訊作者，杭州電子科技大學蘇銳博士、研究生文林、劉孝蓮博士、張振華博士、趙榮志博士，南昌航空大學李偉博士，合肥強磁場實驗室韓玉巖副研究員參與了該工作。

文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202203503

通過第一性原理計算（圖1）發現在(Sm1?nYn)(Fe12?m?lComTil)體系中，Y和Co元素的替代可大幅降低體系的形成能。其中，當Y添加量為n=0.25時，系統的混合焓ΔHmix最大預示具有最強的調幅分解驅動力。此外，通過大量前期研究確定Co的最優替代量為Fe元素的20%，因此m確定為2.4-0.2l。因此，DFT結果顯示在Sm0.75Y0.25(Fe0.8Co0.2)12-lTil體系中μ0Ms隨著Ti含量降低快速提升，但Y元素的引入大幅降低了ThMn12相的μ0Ha并隨著Ti含量降低略有恢復，當Ti含量l=0.65時體系的相穩定性可與穩定的SmFe11Ti相持平。

圖1、(a)ThMn12型SmFe12相的晶胞示意圖，(b)Y、Co和Ti在SmFe12相中不同晶位的取代能，(c) (Sm1nYn)Fe12、Sm(Fe12?mCom) 和Sm(Fe12 lTil)體系的形成能，(d) (Sm1-nYn)(Fe0.8Co0.2)11Ti (n=0-1.0)體系隨Y元素變化的混合焓，(e) Sm0.75Y0.25(Fe0.8Co0.2)12-lTil (l = 0.5, 0.75, 1.0)和SmFe11Ti體系的形成能、飽和磁化強度與各向異性常數

為驗證計算結果，制備了成分為Sm0.75Y0.25(Fe0.8Co0.2)12-lTil (l=0.5-1.0)合金并進行了1100℃、48h的熱處理以獲得ThMn12相。其中l=0.5合金出現了大量的TbCu7相，當l ≥ 0.625合金獲得了穩定的ThMn12相并析出了少量的α-Fe相，而且當l ≥ 0.65時合金出現了明顯的調幅分解，其中l = 0.75和0.875合金獲得較好的核殼結構，這一結果很好驗證了成分設計的可靠性。進一步研究Sm0.75Y0.25(Fe0.8Co0.2)11.25Ti0.75合金的核殼結構，通過圖2能譜面掃結果可見Sm元素富集于殼內而Y元素在核內富集，而Fe、Co和Ti元素分布均勻。為研究其形成過程，對鑄造合金進行了不同時間的熱處理，發現0h并未發生成分起伏，12h后初步出現成分起伏，24h開始形成核殼結構此后核殼結構慢慢長大，完全符合調幅分解的過程。

圖2、(a)1100℃、48h熱處理的Sm0.75Y0.25(Fe0.8Co0.2)11.25Ti0.75合金的背散射電鏡及其能譜面掃圖，(b)不同時間熱處理的背散射電鏡圖，(c)ThMn12相中Sm和Y元素能譜線掃圖

對Sm0.75Y0.25(Fe0.8Co0.2)12-lTil (l=0.5-1.0)合金進行了磁性能測試，結果如圖3所示。與理論預測相似，隨Ti元素降低合金的μ0Ms線性增加，其中l = 0.625合金的μ0Ms達到了1.52 T，居里溫度的變化趨勢與μ0Ms類似。而μ0Ha先隨著Ti含量降低大幅提升，在l = 0.75時達到了最大的9.24 T，比理論值高1.0 T，然后隨著Ti含量降低緩慢降低，這一反常的變化與理論值出現了偏離，而這一正向偏離正是由核殼結構的形成引起的。

圖3、(a)Sm0.75Y0.25(Fe0.8Co0.2)12-lTil (l=0.5-1.0)合金隨Ti含量變化的μ0Ms和μ0Ha理論計算值和實驗值，(b)隨Ti含量變化的M-T曲線

為驗證核殼結構對磁性能的影響，通過FIB沿核殼結構界面切取了一個樣品。如圖4所示，樣品從左到右為殼到核，其Sm/RE%含量從80%降低到70%，用DFT計算發現其各向異性常數也逐漸降低。通過原位加場洛倫茲TEM電鏡表征可以發現處于各向異性場較弱的核內反磁化疇優先移動并快速長大，直接證明富Sm外殼對磁疇的釘扎作用，而這一作用有利于磁體矯頑力的提升。

圖4、(a) Sm0.75Y0.25(Fe0.8Co0.2)11.25Ti0.75合金核殼結構界面的TEM圖，(b)從殼到核Sm/RE%、Y/RE%和各向異性常數的變化，(c)磁疇結構隨外加磁場的變化

為進一步驗證核殼結構對大塊磁體矯頑力的影響，圖5采用了微磁學模擬建立了平均成分為Sm0.75Y0.25(Fe0.8Co0.2)11.25Ti0.75有和無核殼結構的兩個模型，從模擬的退磁曲線可以看出存在核殼結構的磁體矯頑力提升了410 kA/m(11.2%)，觀察其退磁過程，發現磁疇優先在核內形核，但被核殼結構界面釘扎，這一界面的釘扎作用是矯頑力提升的關鍵。

圖5、(a)Sm0.75Y0.25(Fe0.8Co0.2)11.25Ti0.75無(a)和(b)有核殼結構的模型圖，(c)模擬的退磁曲線圖，(d)無核殼結構模型反磁化疇的形核圖，有核殼機構模型反磁化的形核(e)與(f)長大圖