通过调控元素分布与相组成显著拓宽2:17型SmCo磁体的线性剩磁温度补偿范围

《Journal of Materials Research and Technology》：Broadened Linear Remanence Temperature Compensation Range of 2:17-Type SmCo Magnets via Tailored Elemental Distribution and Phase Composition

随着航空航天、国防及精密仪器领域对磁体热稳定性要求的日益苛刻，拓宽SmCo磁体的线性剩磁温度补偿范围成为研究热点。本研究通过调控Dy含量，系统探究了其对2:17型SmCo磁体元素分布、相组成及磁性能的影响。结果表明，增加Dy含量可显著将线性剩磁温度补偿范围从343-418 K（ΔT = 75 K）拓宽至263-523 K（ΔT = 260 K），增幅达246.7%，同时保持低剩磁温度系数（α = 0.00658 %/K）和高最大磁能积（(BH)max= 138.5 kJ·m-3）。该研究为开发宽温域高稳定性SmCo磁体提供了重要指导。

　　

在当今高科技领域，尤其是航空航天、国防安全和精密工业仪器中，对永磁材料性能稳定性的要求近乎苛刻。想象一下，一颗卫星在太空中运行，其向阳面温度可能高达393 K（约120°C），而背阳面温度可能低至218 K（约-55°C）。在这种极端的温度波动下，卫星中用于姿态控制、电力系统等关键部件的永磁体，其磁性能必须保持高度稳定，否则可能导致任务失败甚至灾难性后果。传统的2:17型钐钴（SmCo）永磁体虽然具有高居里温度和优异的磁性能，但其剩磁温度系数（α，即磁感应强度随温度变化的比率）通常约为-0.03 %/K。这意味着其磁感应强度会随着温度变化发生显著改变，这对于要求磁输出高度稳定的应用场景来说是不可接受的。以往的研究主要致力于在特定窄温区（如室温至373 K或423 K）内将α优化至接近零。然而，对于工作温度范围极宽的系统而言，这种窄窗口优化策略存在明显局限：在设计的温区之外，磁体的行为可能变得高度非线性和不可预测。因此，开发具有宽线性剩磁温度补偿范围（即磁感应强度随温度线性变化的区间更宽）且保持低α值的SmCo磁体，成为该领域的前沿挑战。

为解决这一难题，发表在《Journal of Materials Research and Technology》上的研究论文《Broadened Linear Remanence Temperature Compensation Range of 2:17-Type SmCo Magnets via Tailored Elemental Distribution and Phase Composition》报道了重要突破。研究人员通过精确调控重稀土元素镝（Dy）的含量，成功显著拓宽了2:17型SmCo磁体的线性剩磁温度补偿范围，为高稳定性磁体的设计提供了新思路。

为了探究Dy含量对磁体性能的影响，研究人员制备了名义成分为Sm_0.51Gd_0.49-xDy_x(Co_0.675Fe_0.22Cu_0.08Zr_0.025)_7.4（x = 0, 0.2, 0.4）的三种磁体。研究采用了多种关键技术方法：通过真空感应熔炼、破碎和气流磨制粉、磁场取向成型、冷等静压以及一系列严格控制的烧结、固溶和时效热处理工艺来制备磁体样品；利用物理性能测量系统（PPMS）和B-H磁滞回线仪在223 K至653 K的宽温区内测量磁化强度-温度（M-T）曲线和磁性能（剩磁B_r、矫顽力H_cj、最大磁能积(BH)_max），并计算剩磁温度系数（α）；采用X射线衍射（XRD）并结合Rietveld精修分析晶体结构、相组成、晶格参数和原子占位；利用电子背散射衍射（EBSD）分析织构和晶粒尺寸；借助透射电子显微镜（TEM）、高分辨TEM（HRTEM）及其附带的能量色散X射线光谱（EDS）进行微观结构观察和元素分布 mapping。

研究结果

磁性性能

初始磁化曲线和退磁曲线的测量结果表明，随着Dy含量（x）从0增加到0.4，磁体的饱和磁化强度在298 K时从0.86 T略微增加至0.89 T。然而，矫顽力（H_cj）从2141.2 kA/m显著降低至842.2 kA/m，矩形度（SQ）也变差。最大磁能积（(BH)_max）变化不大，分别为140.1, 141.6和138.5 kJ·m^-3，表明所有磁体均能满足低α磁体的基本磁性能要求。最关键的是，通过分析M-T曲线发现，剩磁随温度的变化可分为三个区域，其中中间区域表现出线性温度依赖性。随着Dy含量增加，该线性剩磁温度补偿范围的起始温度从343 K降低至263 K，宽度从75 K（343-418 K）显著扩展至260 K（263-523 K），扩展幅度达246.7%。在此拓宽的补偿范围内，磁体仍能保持较低的α值（x=0.4时α = 0.00658 %/K）。

晶体结构与相组成

XRD和Rietveld精修分析表明，所有磁体均包含2:17R相（主相）和1:5H相（晶界相）。随着Dy含量增加，2:17R相和1:5H相的晶格参数a和c均减小，这是由于Dy的原子半径小于Gd所致。更重要的是，Dy优先进入2:17R相，导致2:17R相的质量分数从74.51%（x=0）增加至83.54%（x=0.4），而1:5H相的比例则从25.49%减少至16.46%。原子占位分析进一步证实，Dy倾向于占据2:17R相中的6c位点（Sm/Gd位点），同时抑制了Cu在1:5H相中的占位。

微观结构与元素分布

EBSD分析显示，所有磁体均具有强的[000l]织构，但随着Dy含量增加，织构度略有下降，平均晶粒尺寸从83.1 μm减小至67.31 μm。TEM观察揭示了典型的纳米级胞状结构。随着Dy含量增加，平均胞尺寸从81 nm（x=0）增加至146 nm（x=0.4），表明胞状结构发生粗化，且1:5H晶界相变得不连续。EDS元素面分布和线扫描分析表明，Dy富集在2:17R胞内，而Cu在晶界（1:5H相）处的平均浓度从16.03 at.%（x=0）降低至13.20 at.%（x=0.4）。特别值得注意的是，在x=0.2和x=0.4磁体中，在片层/胞内界面处观察到了明显的Cu富集现象。HRTEM测量显示，2:17R相的（01-10）面间距和1:5H相的（100）面间距均随Dy含量增加而减小，且2:17R相面间距的减小幅度更大，再次证实Dy优先进入2:17R相。

固溶态磁体的微观结构起源

对固溶处理态磁体（x=0' 和 x=0.4'）的分析揭示了最终磁体性能差异的起源。XRD Rietveld精修表明，随着Dy含量增加，固溶态磁体中1:7H相的比例下降。HRTEM观察发现，x=0'磁体比x=0.4'磁体具有更高的缺陷聚集晶界（DACBs）密度。DACBs是后续时效处理中1:5H相析出的形核中心，其密度降低导致最终磁体中1:5H相分数减少和2:17R相分数增加，以及胞状结构的粗化和不连续化，这直接关联于最终磁体矫顽力的下降和线性温度补偿范围的拓宽。

结论与意义

本研究系统阐明了通过调控Dy含量来拓宽2:17型SmCo磁体线性剩磁温度补偿范围的机理。其主要结论是：增加Dy含量通过引发元素偏聚和改变相组成，协同作用从而显著拓宽了线性工作温区。从元素分布看，Dy优先进入2:17R相，提高了主相中重稀土元素的浓度，增强了铁磁-亚铁磁补偿效应；同时，Dy抑制了1:5H相的析出，导致过量的Cu在片层/胞内界面处富集，而非完全扩散至晶界，这降低了晶界相对磁畴壁的钉扎强度，导致矫顽力下降。从相组成看，Dy的添加增加了磁性能更优、M-T曲线更平坦的2:17R相的比例，同时减少了1:5H相的比例，这使得磁体在更宽的温度范围内呈现出以2:17R相为主导的磁行为。这些微观结构上的改变共同促成了线性剩磁温度补偿范围从75 K到260 K的巨大飞跃，同时保持了较低的平均α值（0.00658 %/K）和较高的(BH)_max（138.5 kJ·m^-3）。

这项研究的意义重大。它不仅成功地将2:17型SmCo磁体的有效线性工作温度范围扩展了246.7%，覆盖了从低温（263 K）到高温（523 K）的广阔区间，而且深入揭示了Dy元素通过影响相组成和元素分布来调控磁体热稳定性的微观机制。这为设计下一代能够在极端温度环境下稳定工作的高性能永磁体提供了关键的理论依据和实用的材料设计策略，极大地推动了SmCo永磁材料在航空航天、国防科技等高端领域的应用前景。尽管增加Dy含量会提高材料成本，但在极端服役环境下，磁体的高稳定性需求往往优先于成本考虑，这使得该研究成果具有重要的战略价值。