【基金】2010CB934600-新型纳米复合磁性材料及其应用的关键基础研究

项目名称：新型纳米复合磁性材料及其应用的关键基础研究首席科学家：张志东 中国科学院金属研究所起止年限：2010年1月-2014年8月依托部门：中国科学院一、研究内容纳米复合永磁材料关键科学问题：进行纳米复合永磁材料的结构设计，发展纳米复合永磁材料可控制备技术。特别是重视发展以bottom-up化学过程+快速烧结为主导的技术路线，力争突破制备高性能的各向异性纳米复合永磁材料的技术瓶颈。研究纳米晶的生长机制、结构特征、结构稳定性和性能可靠性，从一个更深的层次来理解纳米复合永磁材料的纳米晶在生长过程中的行为及其与磁性能之间的关系。从理论上分析不同结构的纳米复合磁性材料中导致软磁相不成为反磁化核的中心而能够和硬磁相耦合在一起的临界尺寸与微观组织结构特征。探索满足实现纳米耦合的高矫顽力的硬磁新相和高饱和磁化强度的软磁新相。从实验方面调节和改变材料的交换作用强度、改变和增强材料的磁晶各向异性、饱和磁化强度，从根本建立易于实现纳米耦合的条件。研究新型可控制备技术相分离过程中亚稳相的成相规律及其与成分、温度、时效的关联性。建立纳米复合磁性材料微观组织结构与磁性能的关系模型，获得相分离后的相关联性及它们之间的磁交换作用机制和交换耦合的条件。用快速烧结制备纳米晶和热变形等工艺制备高性能的各向异性Nd2Fe14B/a-Fe纳米复合永磁材料，通过优化两相的微观组织结构和成分，以获得最佳永磁性能的材料，掌握新型纳米复合结构制备的关键技术。主要研究内容：1、 纳米复合永磁材料的结构设计和制备技术的发展采用快淬、HDDR结合相分离法、化学合成、快速烧结制备纳米晶和热变形工艺等多种新工艺和实验手段，探索适宜可控制备纳米结构永磁材料的方法，不仅能够实现硬磁软磁双相耦合或硬磁相间的耦合，而且实现硬磁晶粒排列取向呈现织构，以求接近或达到理论预期的高磁能积，掌握制备新型高性能纳米复合永磁材料的关键技术、获得最佳的纳米复合结构与磁性能，这是本课题的创新性之处。特别是重视发展以bottom-up化学过程+快速烧结为主导的技术路线，力争突破制备高性能的各向异性纳米复合永磁材料的技术瓶颈。研究相分离与成分、温度、时效的关联性。研究相分离法、热变形工艺等非平衡过程的相形成规律及结晶过程中的晶体学生长特征，相分离的介观结构变化、相交换耦合的结构条件。掌握用上述方法制备NdFeB基、2:17相、新型Co基1:7相等为主体的纳米复合永磁材料的成分设计及工艺条件，控制纳米复合永磁材料的晶粒尺寸和微观结构，以获得最佳永磁性能。2、纳米复合磁性材料的磁性耦合机理研究永磁相和软磁相实现纳米耦合的机理和条件。如：用中子衍射技术与XRD技术结合确定材料的磁性相结构和晶体结构，研究成分、结构、元素晶格占位、磁性相变、健长、夹角等结构因素与材料性能的关系。用磁力显微镜观测新相的磁畴结构，结合磁性测量研究磁畴宽度、畴壁厚度及其影响因素与耦合作用强度、磁晶各向异性、饱和磁化强度、最大磁能积等磁性参数的关系。用SEM和TEM电子显微镜观测材料中晶粒结构、取向、尺寸对磁性的影响。即综合利用各种观测手段，获得物质结构和磁性结构与材料最终性能的关系，为研究纳米耦合机理和优化耦合条件提供实验基础。理论分析不同结构的纳米复合磁性材料中形成最佳磁性交换耦合的临界尺寸；从实验上探索满足具有高矫顽力的硬磁和高饱和磁化强度的软磁相耦合的条件。本课题的创新性之一就是利用交换弹性耦合效应或纳米复合微观组织结构来改变材料的交换作用强度、磁晶各向异性、饱和磁化强度，来调节材料的交换长度 lex、畴壁厚度dW、单畴临界尺寸dC以及硬磁参数k，建立易于实现纳米耦合的微观结构和条件。从实验测定的总交互作用中分离出对磁化过程有重要意义的短程交换和长程磁偶极交互作用。建立微观组织结构与磁性能的关系模型，研究其磁性交换耦合作用机制和条件，实现纳米复合微观组织结与磁性能的可控制备。3、探索实现纳米耦合的高矫顽力和高磁能积的硬磁新相和高饱和磁化强度的软磁新相元素周期表中常温下能够提供强磁性的金属只有Fe,Co,Ni。其中a-Fe磁性最强，其原子磁矩2.2 mB。Fe-Co合金的原子磁矩可提高到 2.4 mB。本项目将采用间隙原子效应来实现最有效的磁性调制。将N、C、H等作为间隙原子加入母合金，基于间隙原子的磁体积效应和化学键效应，改变稀土铁化合物的电子能带结构和晶场作用。同时，改变材料的磁畴结构，形成硬磁材料理想的180度畴壁的磁畴结构，探索制备新型高性能永磁相。进一步开展间隙原子效应研究，包括电子能带结构、晶场作用计算，为有效地调控材料的内禀磁性提供依据。同时拟把间隙原子效应研究扩展到软磁材料，寻求饱和磁化强度高于Fe-Co合金的间隙型软磁材料，探索新型的高矫顽力兼高磁能积的双相纳米耦合材料。这是本课题的另一创新点。4、高性能永磁纳米复合材料的化学合成及磁体的应用研究基于交换弹性耦合机理，在理论分析的基础上，研究发展可控制备纳米尺度硬磁与软磁耦合复合磁体的新技术和新方法。采用bottom-up化学过程、快淬、速凝等方法制备永磁/软磁各向异性的纳米耦合磁粉或磁体，探索新工艺对磁粉性能的影响。综合各种方法的特点发展出简单实用的生产工艺。优化工艺条件，制备出高性能的硬磁与软磁耦合各向异性磁粉/磁体。以此为基础，研究用有机和无机纳米薄膜包覆对磁粉综合性能的影响，同时开展永磁/软磁的纳米耦合研究，以期制备出更高磁性能的各向异性纳米复合稀土永磁磁粉。最终目标是制备出新型高性能、温度稳定性好的耦合纳米复合磁粉/磁体，为研制更新换代的新型永磁磁体和器件提供新型材料。5、多功能异质纳米复合材料的基础问题研究化学控制合成具有大联结界面及复合磁光性质的多功能异质复合纳米颗粒，深入理解异质成核生长机理，研究复合粒子的电、磁、光、催化等性质，组元介质间的相互作用、电磁传输，以及异质相互作用对复合粒子整体物理性质的影响，结构与性质的关系等问题。研究交换耦合相互作用等物理现象，研制多功能纳米复合材料如磁光复合材料和高性能磁性材料。6、制备纳米复合结构元器件的关键技术采用新型纳米复合磁性材料，通过微观组织结构和制备工艺的优化与控制，解决其取向成型、烧结和磁性能控制等关键制备技术，制备中小型永磁电机用定子和转子等磁性元器件，使其剩磁、矫顽力温度系数和稳定性等磁性能指标达到或超过目前广泛使用的传统永磁器件。研制新一代高性能整体辐向多极永磁环，有效克服目前广泛使用拼接磁环电机磁极波动大、效率较低的缺点，使其磁性性能、极间磁密均匀性和力学性能均高于目前的传统永磁器件，进一步推动永磁电机向高稳定性、高效率和小型化方向发展。 纳米复合软磁材料关键科学问题：建立并完善新型纳米颗粒、纤维增强以及两者共同增强的软磁复合材料的可控制备技术。研究纳米软磁复合材料的微观结构、力学性能和软磁性能相互关系。阐明材料的尺寸、非晶纳米晶复相结构与巨磁阻抗效应的关系。研究纳米尺度下材料的磁导率、阻抗和损耗等性能参数，与化学成分、晶格结构、磁晶各向异性常数、磁致伸缩系数、晶粒尺寸及粒度分布的关系。阐明非晶软磁合金的结构演化规律、纳米晶的成核、长大与稳定机制，建立微观结构演化与性能之间的相互关系及其理论模型。探索提高软磁复合材料使用性能的途径, 尤其是其在高温条件下结构和磁性能的稳定性、材料的蠕变性能等, 奠定软磁复合材料器件设计和使用的基础。 主要研究内容：1、具有良好的室温和高温力学和软磁性能的新型纳米复合软磁材料制备建立并完善新型纳米复合软磁材料的制备技术。研究纳米颗粒、纤维增强以及两者共同增强的软磁复合材料。研制成功具有良好的室温和高温力学和软磁性能的新型纳米软磁复合材料，指标为：500 oC温度下，屈服强度s0.2700 MPa; 磁感应强度20 kG；5000Hz时涡流损耗480 W/kg；蠕变510-6 h/r (550 oC, 600MPa, 5000 小时)；室温电阻率：4060 mWcm。建立软磁复合材料高温性能测量方法和标准。建立微观结构参数、工艺参数与力学和软磁性能(尤其是高温性能)的相互关系, 探索微观结构对磁畴运动的影响，为高温软磁复合材料组织结构控制、材料设计与制备提供理论依据。研究材料微观组织和性能高温演变规律。建立系统的微观结构参数、磁畴相互作用和性能之间定量或半定量的关系。2、Co基非晶合金纳米晶化及其巨磁阻抗效应研究Co基软磁非晶合金经晶化处理形成纳米晶结构后的软磁性能及其巨磁阻抗效应。优化晶化工艺，以使纳米复合材料对微弱外磁场（0-46.5A/m）有特别灵敏的响应（灵敏度达到：2440.2%/Am-1，即尖刺巨磁阻抗效应）。根据巨磁阻抗效应的各向异性模型，通过对系列纳米晶化样品的巨磁阻抗效应曲线的计算机拟合，研究产生尖刺巨磁阻抗效应的普适条件，建立尖刺巨磁阻抗效应特性和退火晶化工艺间定量或半定量的关系。3、高饱和磁化强度纳米软磁合金的制备与形成机制传统纳米软磁合金纳米晶形成机理在于两个原因：（1）在室温下与Fe元素几乎不互溶的Cu元素起生成纳米晶核的作用; （2）高熔点的Nb元素则阻止了纳米晶粒的长大。本项目的新型高饱和磁化强度铁基纳米软磁合金为无Nb低Cu材料，新添加的元素P的熔点也不高。因此，该合金无高熔点元素，其纳米结构的形成和晶粒生长机制不同于传统的纳米软磁合金。拟从解析非晶相纳米相（非晶相与纳米相的含量、纳米晶粒的大小等）与成分关系的基础上，研究FePSiBCu系非晶合金的结构演化规律，阐明纳米晶的成核与长大机制与稳定机制，建立相关理论模型，实现纳米软磁合金的组织结构、晶粒尺寸和磁性能的可控制备。4、纳米软磁复合材料使用性能研究及磁性器件的设计随着高功率、小型化、多功能等功率发生和储能技术的进步, 解决日益增长的电功率发生、自起动能力、高速磁轴承运转和机电元件的冷却问题变得非常严峻。高温磁性材料的研发和使用, 是实现上述软磁材料高端应用的关键。本项目拟在高温高强软磁复合材料研制的基础上, 研究材料在高温、高应力、辐照辐射等条件下的使用性能, 重点探讨材料微观结构和性能的稳定性, 及二者的相互关系。用纳米软磁复合材料设计高速电动机转子和高速运转磁轴承等磁性器件，并解决磁性器件中存在的磁性材料的关键基础性问题。研制微小型的高灵敏度、快速响应、高温度稳定性、低功耗、表面贴片元件电路的GMI传感器。利用GMI效应的频率特性和交流数字电路研制更高灵敏度和更快响应速度的磁敏传感器。研究Fe基非晶态合金的纳米晶化技术，及其宽、厚带材的制备与成型技术，并应用于制造宽、厚非晶纳米晶复合软磁合金带材，进而研制高饱和磁化强度、低功耗的节能减排型变压器铁芯。纳米复合磁性薄膜材料关键科学问题：如何制备成功高性能的各向异性取向的纳米复合永磁薄膜材料将是制备新一代的永磁材料的关键。在原子分子层次研究薄膜材料的沉积过程、生长机制、结构特征，力争从一个更高的层次来理解薄膜材料在生长过程中的行为。深入理解在纳米复合永磁和软磁材料中的磁性交换耦合效应。研究影响沉积薄膜质量因素，提供纳米复合永磁和软磁薄膜制备的优化参数组合。实现薄膜可控生长，改善生长环境和观测环境的兼容性。研究薄膜材料尺寸的变化对材料的内禀磁性的影响，理解材料内禀特性在介观尺度的行为。进一步将磁性薄膜材料与铁电、压电等其它功能材料进行纳米复合，合成复合电磁多铁性双层或多层薄膜材料。将不同材料的磁性和其它物理特性在纳米尺度进行耦合，从而获得多铁性等智能型功能薄膜材料。研究在纳米复合磁性薄膜材料中电、磁等各种能量之间的转换规律。从而在纳米复合磁性薄膜材料中发现一些新的物理现象。解决适用于微特电机的厚膜制备的技术难题（如应力导致衬底和薄膜剥离、薄膜弯曲等），为设计和制造高性能的新型微特电机、垂直磁记录介质等提供磁性薄膜材料基础。主要研究内容：1、各向异性纳米复合永磁薄膜材料的结构设计和可控制备技术在纳米尺度进行各向异性纳米复合永磁薄膜材料的设计，发展设计、制备、表征各向异性纳米复合永磁薄膜材料的技术，制备性能稳定的高磁能积纳米复合永磁薄膜材料。选定Nd2Fe14B/a-Fe、SmCo/FeCo等复合体系，研究影响各向异性纳米复合永磁薄膜的磁性能的主要因素。系统研究永磁薄膜的厚度、晶粒尺寸、相结构、界面结构等与磁性的关系。研究薄膜生长工艺、衬底材料、退火条件、防护层等对薄膜结构和磁性的影响。掌握影响各向异性纳米复合永磁薄膜结构和性能的关键性工艺条件，如：最佳硬磁相成分、多层膜厚度和周期、衬底温度、退火温度和时间等。实现硬磁相和软磁相的最佳磁性耦合和剩磁增强效应。解决适用于微特电机的厚膜制备的技术难题（如应力导致衬底和薄膜剥离、薄膜弯曲等）。可控制备出性能稳定的具有国际先进水平的各向异性取向的纳米复合稀土永磁薄膜材料。为设计和制造高性能的新型微特电机提供材料基础。2、纳米复合磁性薄膜材料的薄膜生长机理和界面结构开展纳米复合磁性薄膜材料的薄膜生长机理研究。控制薄膜沉积速度，很好地定义衬底的温度、取向、形貌与粒子源的荷电、质量数、能量分布等各种相关物理参数，建立可靠的生长模式与物理条件间的联系。系统研究薄膜与衬底的反应、原子的吸附与去吸附、薄膜形核与成长的过程等。应用各种显微结构表征手段在纳米原子尺度进行界面结构的表征和缺陷观察。研究界面结构对薄膜材料的生长制备和性能的影响。利用电子全息研究磁畴结构、纳米耦合永磁材料中的磁耦合机理。通过截面观察和平面观察相结合的办法对界面原子结构、界面偏析进行三维分析，将促进对界面结构、薄膜的生长机理、磁性能、耦合机理的理解，从而深入地揭示和深化对此类材料的系统认识。3、纳米复合磁性薄膜材料的磁性的尺度效应研究纳米复合磁性薄膜材料的尺寸效应，研究薄膜的永磁、软磁等性能与材料的尺寸（薄膜厚度及晶粒大小）的关系。随厚度变薄或晶粒变小，自发磁化、磁各向异性、矫顽力、相变温度都发生变化。当薄膜厚度（或晶粒大小）小于一临界值时，将丧失永磁性等。研究表面的晶体结构、电子结构、磁性交换耦合、退磁场、界面（包括晶粒间界、薄膜与衬底界面）之间的相互关系。研究若干典型纳米结构薄膜基本磁性、电磁响应等，建立典型纳米多层膜中能量转化的微观物理模型。系统地研究磁性薄膜材料的相组成、相结构、相转变与磁性能的关系，以及纳米复合机制和矫顽力机制等，深入理解物质在介观尺度的结构特点和基本磁性。4、纳米复合磁性薄膜材料的磁性交换耦合效应从一个统一的角度来理解在纳米复合永磁和软磁材料中的磁性交换耦合效应。系统地研究纳米复合磁性薄膜材料在低维条件下的纳米复合特性，研究相成分、相组成、晶粒尺寸、畴结构等对纳米复合机制的影响。系统地研究磁性薄膜材料的磁性交换耦合机制，进一步发展磁性交换耦合理论及模型。用1：5、1：7、2：14：1等铁磁层与Cr、 Co或Ni等氧化物反铁磁层(或非磁层)组成不同结构的磁性多层膜。研究磁晶各向异性的改变和层间交换耦合的关系。研究亚铁磁体R2Fe14B、铁氧体等与Fe、Co、Ni等铁磁层组成的多层膜中各向异性的改变对层间交换耦合、磁性与电性能的影响。研究磁性各向异性对纳米尺度磁性交换耦合长度的关联、不同相分布的逾渗效应对磁性纳米复合的影响、量子阱效应和磁性交换耦合的关联等。提出与磁晶各向异性有关的铁磁与铁磁、铁磁与反铁层（或亚铁磁层）交换耦合统一的理论模型。5、磁性薄膜材料与铁电、压电等其它功能材料的纳米复合将磁性薄膜材料与铁电、压电等其它功能材料进行纳米复合。合成复合电磁多铁性双层或多层薄膜材料，将不同材料的磁性和其它物理特性在纳米尺度进行耦合，从而获得多铁性等智能型功能薄膜材料。使磁性薄膜材料具有铁磁、铁电材料的双重属性，耦合铁磁和铁电的序参数。研究生长条件对材料结构的影响。调节铁电薄膜的生长条件、晶体取向。改变铁磁、铁电薄膜的厚度来研究铁磁和铁电薄膜的界面应力、界面粗糙度、界面缺陷、界面离子价态的变化、铁电薄膜的电场效应对铁磁薄膜的磁相变、磁晶各向异性、相分离和磁输运的影响。通过对铁磁薄膜进行霍耳效应的测量来确定由铁电薄膜的电极化的变化导致的界面电荷的转移。研究铁电薄膜的场效应、铁磁和铁电薄膜的界面、量子尺寸效应对铁磁薄膜磁相变、磁晶各向异性、相分离和磁输运的影响。理清界面效应、场效应、尺寸效应影响的机制以及它们之间的关系。为设计和制造的新型电磁能量转换器件提供材料基础。纳米复合磁性材料的腐蚀规律与防护技术关键科学问题：在理论方面揭示纳米复合磁性材料在使役环境中的腐蚀规律，提出适用于纳米复合磁性材料的腐蚀理论。建立纳米复合磁性材料表面防护涂层制备的技术体系，并给出综合性能优化模型。阐明纳米复合磁性材料表面电沉积或脉冲电沉积的性能优化控制机制，消除阴极析氢作用。新型纳米复合磁性材料以及施加表面防护涂层后在我国几种典型大气环境中的腐蚀规律以及高温氧化行为和腐蚀规律。纳米复合磁性材料的界面结构以及其与防护涂层的界面结构对抗腐蚀性、抗氧化性、热稳定性等使役行为的影响。主要研究内容：1、新型纳米复合磁性材料在我国几种典型大气环境中的腐蚀规律侧重探讨目前最有前景的纳米复合磁性材料（如Nd-Fe-B/a-Fe、纳米复合软磁铁氧体等）以及本项目研制的新型纳米复合磁性材料在几种典型大气环境中的腐蚀失效机制，典型环境以侵蚀性较强的污染工业大气、高湿高热的海洋大气为主，探讨不同使役环境中材料的腐蚀演化规律，确定影响腐蚀演化进程的关键因素，找出反映腐蚀进程的关键参数，为材料腐蚀失效的实时监、检测提供必要的理论依据。2、新型高温磁性材料的高温氧化行为、腐蚀规律新型高温纳米复合磁性材料的高温氧化行为的研究。研究使役温度从300度-870度的新型纳米复合软磁、永磁材料的高温氧化行为。研究新型高温纳米复合磁性材料在高温条件下的化学稳定性、反应的动力学和热力学参数、反应过程控制参数、反应过程后的组分构成和相结构特征。3、Sm(Co,Fe,Cu,Zr)z高温磁体的腐蚀与防护技术研究从化学稳定性的角度，研究高温环境与Sm(Co,Fe,Cu,Zr)z磁体的相互作用。研究在长期的高温环境下，Sm(Co,Fe,Cu,Zr)z材料的成分以及微观结构变化规律，揭示材料的“腐蚀行为磁性退化”之间的内在联系。设计和制备性能优异的专门用于Sm(Co,Fe,Cu,Zr)z高温磁体防护的保护膜，该膜即具有耐高温特性，又能与基体材料紧密的结合，最终使Sm(Co,Fe,Cu,Zr)z高温磁体能够长期稳定地工作在500C环境中。4、新型纳米复合磁性薄膜材料的防护技术研究针对典型的新型纳米复合磁性薄膜材料进行梯度化学沉积、脉冲电沉积、纳米共电沉积、离子镀研究。考察上述方法及不同工艺参数条件下制备的Ni-P膜、Ni-Zn膜、以及Ni-Cr-Al纳米晶膜和纳米晶Ni（或Ni-Fe）Cr或Al纳米粒子复合膜等的组成、结构和膜厚等相关参数对膜的结合强度、腐蚀行为以及磁性能的影响规律；为研制在特定使役环境下具有强结合力、最佳耐蚀性能和对磁性影响最不明显的新型纳米复合磁性薄膜材料的防护涂层提供实验和理论证据。5、纳米复合磁性材料的界面结构对抗腐蚀性、抗氧化性的影响抓住纳米复合磁性材料的界面结构这一环节，利用先进显微技术表征功能薄膜材料的界面结构，包括衬底/薄膜、薄膜/薄膜、薄膜/保护膜、薄膜/真空等界面及表面的结构和形貌特征。研究纳米复合磁性材料中的显微结构与缺陷、界面结构对抗腐蚀性、抗氧化性等各种使役特性的影响，分析归纳微结构、界面结构与材料组分及抗腐蚀性、抗氧化性的关系的规律。研究复合磁性材料防护涂层的界面结构对涂层的结合强度和腐蚀性能的影响。二、预期目标总体目标本项目集中国内在纳米复合磁性材料制备、表征与性能研究方面的优势力量，经过5年的努力，研究纳米复合磁性材料的可控制备过程、生长机制、结构特征、结构稳定性和尺寸效应，从一个较为统一的角度来理解纳米复合磁性材料的行为规律。建立一个磁性基础理论来解释纳米复合磁性材料中磁性耦合现象从微观、介观到宏观的关联，并适用于纳米复合永磁及软磁材料，为纳米复合磁性材料的设计、制备及其实用化提供科学依据。在纳米复合磁性材料的纳米结构的可控制备、表征和性能的研究及技术方面做出重要创新，研制出拥有自主知识产权的高性能纳米复合磁性材料及器件。建立纳米复合磁性材料及器件的科学研究基地，建立和完善纳米复合磁性材料制备、表征和性能、服役行为以及防护研究的知识体系，并研制出具有实用性的纳米复合磁性元器件，为我国大规模应用纳米复合磁性材料奠定基础，指导二十一世纪磁性材料的应用实践。五年目标 探索制备纳米复合永磁及软磁材料的新工艺，解决纳米复合磁性材料制备的稳定性问题。发展表征纳米复合磁性材料相结构、表面和界面结构的动态观察新方法，研究纳米复合磁性材料性能与结构之间的关系，解决纳米复合磁性材料的可控制备、表征和应用中的生长机制以及条件、界面结构与性能的关系等一些重大基础问题，阐明纳米晶的成核与长大机制与稳定机制，建立相关理论模型，实现纳米复合结构、晶粒尺寸和磁性能的可控制备。探索新型纳米复合永磁材料的取向成型、烧结和磁性能控制等关键制备技术。为制备高性能的纳米复合磁性材料提供理论指导。 研究纳米复合永磁及软磁薄膜材料的制备过程、生长机制等。系统研究各种工艺参数对薄膜摩尔组分、均匀性和生长率的影响，为制备高品质的功能薄膜材料奠定理论基础。 研究和总结纳米复合磁性材料的磁性随尺寸变化的规律，揭示纳米复合磁性材料本征特性的尺寸效应的本质。建立一个基本电磁理论解释纳米复合磁性材料中磁性耦合现象从微观、介观到宏观的关联，并适用于纳米复合永磁及软磁材料，为纳米复合磁性材料的设计、制备及其实用化提供坚实的科学依据。 研究纳米复合磁性材料的抗氧化性、抗腐蚀性和功能退化、结构稳定性和性能可靠性等服役行为，发展有关的防护技术，为制备结构和性能可靠的高性能纳米复合磁性材料提供技术支持。 通过材料的成分设计和优化，研制出拥有自主知识产权的纳米复合永磁及软磁材料。并制备出高性能的纳米复合磁性薄膜材料以及饱和磁化强度大于1.5T的新型纳米块体软磁材料。合成具有优异软磁性能的、用于磁敏传感器芯体的新型Co基非晶纳米晶复合合金。 设计并制备出4-5种具有重要应用前景的纳米复合磁性材料器件。对其使用性能和服役行为进行综合测试和分析。探索制备实用性高频开关电源主变压器用软磁器件、高速电动机转子和高速运转磁轴承、磁敏传感器芯体等。在国际学术刊物上发表高水平SCI收录论文200篇以上，申请发明专利20项以上。 培养中青年学术带头人10-20名，在国际上有一定影响的知名专家3-5名，建立若干达到国际先进水平的纳米复合磁性材料研究基地。三、研究方案1.学术思路： 高性能纳米复合磁性材料和相关器件的制备是本项目研究和应用的基础。本项目针对纳米复合磁性材料在电子、电工等领域应用存在的基础性问题开展研究。纳米复合磁性材料中纳米晶体在不同条件下的生长机制研究是在纳米尺度设计和制备相关材料的关键性问题。对材料的相结构、界面结构的表征是发展高性能纳米复合磁性材料的关键之一。对不同纳米结构的复合磁性材料中的磁性交换耦合的深入理解也是获得高性能纳米复合磁性材料以及薄膜的关键。研究高性能纳米复合磁性材料的结构和抗氧化性、抗腐蚀性的关系对在电子、电工等领域应用相关材料和器件有非常重要意义。本项目围绕上述四个方面的基础性问题设立课题，开展相关研究工作，可望在这四个方面的基础研究同时取得突破，使其能迅速走向实用化。对于上述四个关键性问题，将项目分解为四个研究课题。课题一和课题二分别致力于发展新型高性能的纳米复合永磁和软磁材料。课题三集中于制备和表征纳米复合磁性薄膜材料。通过课题一、课题二和课题三对生长机制、结构表征、磁性交换耦合的共同研究，从一个统一的角度来理解纳米复合磁性材料的行为规律。课题一、课题二和课题三还用获得的高性能磁性材料设计和制备具有应用前景的器件。课题四研究各课题共同关心的纳米复合磁性材料在电子、电工等领域实际应用方面的抗氧化性、抗腐蚀性等关键性服役行为问题。本项目以基础研究为前导，结合我国资源特点和应用的需求，研究宏观磁性和微观结构的联系，以期探索新材料、揭示新现象、开发新应用。与各课题相关的研究方案和技术途径分解如下：2. 技术途径： 纳米复合永磁材料本课题任务之一是探索能够实现纳米耦合的高矫顽力和高磁能积的硬磁新相和高饱和磁化强度的软磁新相。利用纳米耦合和间隙原子效应调节和改变材料的交换作用强度、磁晶各向异性、饱和磁化强度，从理论和实验相互结合上开展交换弹性耦合效应及间隙原子效应研究，包括电子能带结构、晶场作用计算，为有效地调控材料的内禀磁性提供依据，建立易于实现纳米耦合和高矫顽力的条件。解决问题的方式在于新的思维、新的工艺。除了采用快淬、HDDR等多种实验手段探索适宜可控制备纳米结构材料的方法外，本课题任务之二是尝试化学相分离法制备的可能性。特别是重视发展以bottom-up化学过程+快速烧结为主导的技术路线，力争突破制备高性能的各向异性纳米复合永磁材料的技术瓶颈。制备过程中出现新型亚稳相往往会对材料的磁性能产生显著的影响。系统地研究纳米复合永磁材料中的平衡相及亚稳相的相结构、形成条件和结构稳定性。用bottom-up化学过程制备各向异性生长的纳米复合永磁体，其最大的优点在于纳米颗粒分布均匀、相分布有序并形成最佳的磁畴结构，实现相内、相间的交换耦合作用。通过成分设计、原子比、电负性和温度的影响来研究亚稳相形成的可能性，解决纳米复合永磁合金的稳定性问题。控制纳米复合永磁材料的晶粒尺寸和微观结构, 得到最佳永磁性能的材料，研究其最佳磁性作用机制，确定相交换耦合结构的形成条件。首先从实验测定的总交互作用中分离出对磁化过程直接相关的短程交换和长程磁偶极交互作用。然后研究纳米复合永磁材料中各相的晶粒微观组织结构、大小及分布，建立微观结构与磁性能关系的理论模型。从理论上分析不同结构的纳米复合磁性材料中导致磁性耦合的临界尺寸与微观结构，调节和改变材料的交换作用强度、磁晶各向异性、饱和磁化强度，建立实现纳米耦合的条件。研究磁性与原子占位、点阵畸变、磁性原子间的耦合，特别是在相界处耦合作用的关联性，该方法是本研究的创新点之一。本课题的任务之三是在上述研究基础上研制具有实用性的永磁元器件。通过微观组织结构和制备工艺的优化与控制，解决其取向成型、烧结和磁性能控制等关键制备技术，探索元器件制备、加工对材料微观组织结构与性能的影响规律，掌握元器件制备的关键技术及其与材料制备和性能之间的相互关系，制备具有实用性的新型永磁元器件。纳米复合软磁材料本课题任务之一是制备高性能的高温纳米软磁复合材料。为使之同时具备优良的力学性能和软磁性能，采用一系列新制备工艺：1. 采用化学还原法和离心雾化法制备FeCo、FeCoM(M=过渡族金属)和FeCoB离子；2.应用正硅酸乙酯水溶法和球磨法等将FeCo基粒子表面均匀Al2O3氧化物层；3.采用等离子体辅助成型和冲击成型法，将有氧化物的FeCo基磁性粒子压制成高密度纳米颗粒软磁复合体；4.采用化学镀和电化学沉积方法，在W、B和C等连续纤维表面沉积Ni或Cu薄层。5.同时把间隙原子效应研究扩展到软磁材料，寻求饱和磁化强度高于Fe-Co合金的间隙型软磁材料。涂层材料的选择基于以下考虑: (1) Cu元素与Fe和Co元素互不相溶。采用Cu涂层可减少复合材料界面反应；(2) Ni和B元素可与FeCo合金形成矫顽力更低的软磁材料；5.将FeCo基纳米粒子(无氧化物覆层)与连续纤维制备成纤维增强软磁复合材料；6. 将FeCo基纳米粒子(有氧化物覆层)与连续纤维制备成纤维增强软磁复合材料。上述方法制备的FeCo基纳米软磁复合材料具有良好的软磁性能、力学性能、微观组织温度稳定性、高频磁性能。探索、发现新型高饱和磁化强度铁基软磁材料，并研究其纳米晶粒的生成机理及稳定机制，及由此带来优异软磁性能的原因。本课题任务之二为：（1）研制微小型的高灵敏度、快速响应、高温度稳定性、低功耗、表面贴片元件电路的GMI传感器。研究能最大发挥FeCo基非晶纳米晶复合软磁材料最高灵敏度的电路。（2）研究Fe基非晶态合金的纳米晶化技术，及其宽、厚带材的制备与成型技术，并应用于制造宽、厚非晶纳米晶复合软磁合金带材，进而研制高饱和磁化强度、低功耗的节能减排型变压器铁芯。（3）设计并制造可在高温下使用纳米软磁复合材料的器件, 初步定为高速电动机转子和高速磁性轴承。研究内容为材料微观组织结构、力学性能、软磁性能以及高温性能演变规律及相互关系的研究。采用TEM、HRTEM、中子衍射等研究FeCo基软磁材料、Fe基纳米软磁合金的组织结构参数对软磁和力学性能的影响。测量高温下软磁复合材料的性能变化, 建立微观结构参数和性能的相互关系。探索微观结构对磁畴运动、矫顽力的影响, 特别是界面结构对磁畴壁的钉扎作用。建立系统的微观结构参数和性能之间定量或半定量的关系。设计并制备B和C纤维增强FeCo基软磁复合材料和大尺寸Fe基纳米软磁材料, 发展纳米材料制备新技术。本课题的另一个特点是FeCo纳米颗粒氧化物涂层的引入，会同时提高材料的力学性能、软磁性能和温度稳定性，得到结构功能一体化的新材料及具有实用性的高饱和磁化强度Fe基软磁纳米合金，丰富纳米复合材料体系和制备技术。研究纳米软磁复合材料微观结构和使用性能的相互关系, 尤其是改材料在高温、高应力、辐照辐射条件微观组织和性能的演变规律。纳米复合磁性薄膜材料采用磁控溅射方法可控制备磁性多层膜体系，用X-射线衍射、透射电子显微镜及能谱分析等方法研究材料相组成、成分、结构形貌、颗粒及晶粒尺寸分布、平均晶粒尺寸等。用磁力显微镜观察薄膜的磁畴结构，用SQUID磁强计测量薄膜样品的磁性，用四点法测量薄膜样品的电性。选用单晶硅或耐高温的陶瓷玻璃作为衬底，用钛、钼等纯金属作为缓冲层和保护层；采用熔炼及传统的粉末冶金法制备出所需永磁合金靶材，采用高纯度的Fe、Co、Ni或FeCo、SmCo、NdFeB合金作为铁磁靶，用Cr、Co或Ni等的氧化物反铁磁靶；采用磁控溅射方法，采用不同衬底加热温度或将硬磁相或软磁相与反铁磁层按一定的厚度和层数直接构成多层膜，再通过控制适当温度和时间的真空退火处理条件得到硬磁和反铁磁层组成的磁性多层膜体系。本项目的主要技术创新就是，通过可控制备技术制备具有各向异性生长的纳米复合永磁薄膜，突破制备高性能的磁性薄膜材料的技术瓶颈。 薄膜生长机制的研究是一项富有挑战性的工作。不同的薄膜材料通过不同的生长方法在不同衬底上实现可控生长，影响因素和其所涉及的有关原子过程是多样的。大致的研究方案为：建构简单的原子模型，结合第一性原理计算，研究界面相结构的稳定性，理解生长初期相选择机制，研究薄膜制备过程。用 SEM研究生长初期的形核过程，用高分辨透射电子显微镜(HRTEM)获取形核面、界面的高分辨相来研究生长初期结构的演化，结合原子模型推测其生长机理。研究生长参数对材料的结构、与衬底的结合强度、表面形貌的影响。发展表面表征、结构表征及纳米原子尺度成分分析研究相结合的技术，利用HRTEM、原子分辨的扫描隧道显微镜(STM)、原子力/磁力显微镜(AFM/MFM)等表征薄膜材料的显微结构、界面结构、缺陷、磁畴结构等。从微观结构的角度研究能量转换物理机制。将微结构表征与物理性能相结合，深入地揭示和深化对此类材料的系统的认识。研究纳米复合磁性薄膜材料具有好性能和最佳交换耦合的原因，从而对原有材料进行改性和探索新薄膜材料。对薄膜材料微结构、组分、界面结构与性能关系开展较为深入的研究，抓住微结构这一环节，易于发现材料中存在的一些本质现象。纳米复合磁性材料的腐蚀与防护磁性材料在使役环境中的腐蚀（氧化）是不可逆转的的化学反应过程。在自然环境中，双相（或多相）纳米复合磁性薄膜或块体材料因化学性质不同的异相物质存在，势必带来材料电化学性质的差异，进而引入了诱发和加速腐蚀的因素。为此，从化学稳定性的角度考虑，研究双相（或多相）纳米薄膜和块体材料中局部非均匀腐蚀行为。重点研究材料的初始反应规律，探讨诱发腐蚀的关键因素，分析腐蚀对材料磁性造成的损伤程度，探索腐蚀控制的新途径。研究在特定的高温环境中，纳米复合磁性材料的化学稳定性、热稳定性和磁性之间的内在联系。重点研究块体材料表面氧化物膜的热生长机制，形成的氧化物膜的性质，如致密性、完整性和粘附性以及对后期腐蚀的抑制作用，探求影响氧化物膜性能的关键因素，揭示材料的磁性随氧化物膜的形成的变化规律，设计专门的的防护涂层并对涂层氧化行为进行评估。用薄液膜环境下材料腐蚀的电化学测量方法，如交流阻抗技术，评价薄膜磁性薄膜或块体材料的耐蚀性；用STM、AFM对典型模拟大气腐蚀行为进行原位观察，观察氧化膜的生长规律，分析材料异相间的腐蚀行为的差异及相互作用；用TGA，分析磁性材料在高温环境下的氧化物膜的热生长动力学；用DSC对纳米磁性材料的热稳定性（晶粒长大、相转变等）进行分析；用XPS、XRD等分析技术对磁性材料的腐蚀(氧化)产物膜进行表征；用TEM、HREM等技术对腐蚀（氧化）产物膜，以及膜/磁性材料界面进行微观观测。3. 项目创新点和特色本项目的特色主要概括为一个理论基础、三个规律、几个关键材料和器件及其制备科学和一个体系。建立一个电磁基本理论来解释纳米复合磁性材料中磁性交换耦合现象从微观、介观到宏观的关联，使理论适用于不同结构的纳米复合永磁和软磁材料。在原子分子层次研究纳米复合磁性薄膜材料的沉积过程、生长机制等规律，为可控制备高品质的功能薄膜材料奠定理论基础。表征纳米复合磁性材料相结构、表面结构、界面结构，总结材料结构与性能之间关系的规律。研究和总结纳米复合磁性材料的磁性以及其它物理特性随尺寸变化的规律，揭示纳米复合磁性材料本征特性的尺寸效应的本质。制备纳米复合永磁和软磁等数种关键功能材料以及薄膜，并致力于将上述纳米复合磁性材料设计和制备成功元器件。建立我国纳米复合磁性材料制备、表征、性能和器件研究体系。本项目的创新点有：1) 从一个比较统一的角度来理解纳米复合磁性材料的行为规律，建立适用于不同纳米结构的复合磁性材料中磁性交换耦合现象从微观、介观到宏观关联的基本理论；2) 从实验方面调节和改变材料的交换作用强度、磁晶各向异性、饱和磁化强度，探索满足实现纳米耦合的硬磁新相和软磁新相；3)研究新型纳米颗粒、纤维增强以及两者共同增强的具有良好的室温和高温力学和软磁性能的软磁复合材料；4) 探索新型Fe基纳米软磁材料的微观组织结构的形成和纳米晶粒生长与控制机制，实现纳米软磁合金的组织结构、晶粒尺寸和磁性能的可控制备。5) 在纳米尺度进行各向异性纳米复合永磁薄膜材料的设计，发展设计、制备、表征各向异性纳米复合永磁薄膜材料的技术；6) 将根据各种磁性材料对化学稳定性的不同要求，采取不同的研究方法，研究纳米复合磁性材料的界面结构对高温抗腐蚀性、抗氧化性等服役行为的影响。7)设计并制备出4-5种具有重要应用前景的纳米复合磁性材料器件，包括高速永磁电机转子和定子、整体辐向多极永磁环、高速运转磁轴承、实用性高频开关电源主变压器用软磁器件、磁敏传感器芯体。4. 研究方案的可行性分析本项目研究方案建立在各单位前期研究成果上，并有理论依据和实验基础。基于以下理由，我们认为本项目是完全可行的： 纳米复合磁性材料领域是国际学术发展的活跃方向，我国已经有很好的工作基础和研究积累，与发达国家差距不大，项目承担单位一直活跃国际学术前沿，在纳米复合磁性材料、功能薄膜材料的制备、表征和性能及器件研究方面与国际基本同步。 承担单位由多个部门的优势单位组合，在相关的各研究领域各有所长，通过本项目结成强强联合，优势互补，针对本研究领域的关键性问题开展合作研究，可以在数个方面突破本领域的技术瓶颈。 承担单位有较好的科研条件、较强的研究设备和分析仪器，是我国在纳米复合磁性材料及器件领域的基地型研究单位，能有效地开展工作。 研究方向和课题设置合理，开展的研究问题都是本领域的重要关键问题，研究方案可行，研究路线正确。在bottom-up化学过程可控制备各向异性纳米复合磁性材料、磁控溅射法可控制备各向异性纳米复合磁性薄膜材料、纳米复合磁性材料的服役行为等研究方面均有技术创新以及技术储备。 研究队伍由老中青结合，由富有创新意识的中青年学术带头人担任课题负责人，并注意到不同学科的结合和交叉，有利于创建新的生长点。 项目首席科学家张志东研究员已在纳米复合磁性材料领域做出较高学术水平的工作，具有开拓创新意识，有较强的组织协调能力，能够领导、组织各方面的力量完成本项目。5. 项目的组织方式 项目实行首席科学家和课题负责人分级负责制。成立由不同层次科技人员和管理专家参加的项目理事会，负责课题、人员的评审和筛选以及项目执行情况的检查工作；聘请国内学术界和国外相关专家组成评估委员会，负责研究成果的评估和鉴定工作。将每年至少召开一次全国性学术研讨会，促进国内外学术交流，推动我国纳米复合磁性材料和器件的研究向深层次发展。严格按照科技部的有关规定实施。四、年度计划第一年：文献调研，实验前期准备工作。可控合成各向异性磁性纳米复合颗粒，包括硬磁材料FePt、CoPt和软磁材料Fe、CoFe、Co、Ni及其氧化物等纳米晶体。探索合成SmCo5、Sm2Co17基纳米复合颗粒。 制备FeCo基磁性纳米颗粒、氧化物涂层、FeCo-氧化物复合软磁材料。研究颗粒尺寸、化学成分、相组成、晶粒尺寸、畴结构等软磁和力学性能的影响。发展在纳米尺度设计纳米复合磁性材料以及薄膜材料的微观结构和功能特性的技术，研究制备纳米复合磁性材料的工艺过程。观测纳米复合磁性材料如Nd-Fe-B/a-Fe在几种典型大气中服役的腐蚀演化规律，确定影响腐蚀演化进程的关键因素。第二年：理论计算不同材料的电子能带结构、晶场作用影响，为有效调控材料的内禀磁性提供依据。研究合金非平衡凝固过程的相形成规律及结晶过程中的晶体学生长特征。研究纳米晶的生长机制、结构特征、结构稳定性和性能可靠性，深入理解纳米复合磁性材料的纳米晶在生长过程中的行为。探索高度单分散的磁性纳米材料的大量合成方法，通过shock-compacting、快速烧结等方法合成块体纳米复合耦合磁体。化学合成Sm2Co17、Nd2Fe14B纳米颗粒，并与FeCo等软磁组分耦合，探索硬磁与软磁组元耦合作用制备耦合磁体的化学方法。 利用交换弹性耦合效应及间隙原子效应调节和改变材料的交换作用强度、磁晶各向异性、饱和磁化强度，制备出硬磁与软磁耦合的纳米复合永磁材料。研究软磁材料中的间隙原子效应，寻求饱和磁化强度高于Fe-Co合金的间隙型软磁材料。研究纤维增强氧化物涂层FeCo基纳米软磁复合材料中纤维尺寸及相对量、Cu 薄层厚度及微观组织、复合工艺参数和性能的关系。研究非晶相与纳米相的含量、晶粒尺寸与成分和工艺之间的关系，制备饱和磁化强度高于1.55T的Fe纳米晶软磁合金。研究Co基非晶合金晶化条件与组织结构间的关系。利用X射线、原子力显微镜、高分辨电镜等研究纳米复合磁性材料的相组成、相结构、晶粒尺寸及界面结构等。确定表面和界面结构对磁性的影响。制备纳米复合磁性薄膜材料，研究在生长功能薄膜材料中的衬底预处理方法对生长过程和薄膜性质的影响。用扫描隧道显微镜和原子力显微镜研究薄膜的生长机制、工艺条件与结构和磁性的关系。进行纳米复合磁性材料如Nd-Fe-B/a-Fe的化学镀Ni-P工艺的初步探讨，确定磷含量、镀层厚度以及对磁性能的影响。研制高低磷含量的匹配的梯度结构的涂层，优化涂层的整体服役防护性能，并使得对磁性能的影响降至最低。第三年：理论分析纳米复合永磁材料的耦合原理以及实现最佳磁性耦合的微观结构特征和软磁相的临界尺寸。调节和改变材料的交换作用强度、磁晶各向异性、饱和磁化强度，提高具有高矫顽力的硬磁相和高饱和磁化强度的软磁新相的磁性能。建立易于实现纳米耦合的模型与条件，实现纳米复合永磁材料的晶粒尺寸和微观结构的设计和可控性。研究软磁纳米粒子包覆对Nd2Fe14B、 SmCo5、 Sm2Co17和R-Fe-N磁粉综合性能的影响。制备高度单分散的异质复合纳米颗粒，包括磁性组元如FePt、Fe3O4、FeCo与发光组元Au, CdS等，复合结构中组元应有大的联结界面。研究FeCo 基纳米软磁复合材料高温下的行为、微观结构参数高温演变规律及其对材料力学性能和磁性能的影响。建立上述微观结构参数、温度和材料性能的相互关系，进行理论分析和模型建立。研究Fe基非晶合金的结构演化规律，阐明纳米晶的成核与长大机制与稳定机制，实现纳米软磁合金