近日，我院张雪峰教授团队以杭电第一单位在国际顶级学术期刊《Advanced Functional Materials》上发表学术论文 “Understanding the role of elements grain boundary diffusion mechanism in Nd-Fe-B magnets”。其中我院青年教师赵利忠博士为第一作者，张雪峰教授为通讯作者，华南理工大学博士生何家毅为共同第一作者，刘仲武教授为共同通讯作者。
钕铁硼永磁因其优异的磁性能而被广泛应用于牵引电机和风力发电机当中。这些应用要求磁体在150℃以上的温度运作，所以在钕铁硼产品中往往需要添加重稀土Tb和Dy，提高磁体的矫顽力和高温稳定性。新能源产业的迅速发展对高矫顽力钕铁硼的需求日益增加，导致了近几年重稀土原材料价格的不断上涨。与之相反，稀土共生矿中的高丰度稀土Ce和La则大量积压，造成稀土资源利用不平衡的问题。如何在高效利用重稀土元素的同时充分利用高丰度稀土元素，已经成为当下业内关注的热点。尤其浙江省是我国磁性材料大省，稀土永磁钕铁硼产量占全国近一半份额。
我院张雪峰教授团队长期服务于地方稀土永磁企业，联合华南理工大学刘仲武教授团队共同提出了一种利用混合稀土（Tb、Ce和La）的协同作用实现钕铁硼晶界扩散中Tb的高效利用。研究表明，添加Ce和La的Tb基扩散剂有着与Tb基扩散剂相当的矫顽力提升效果，并使得磁体有着更好的高温稳定性。与此同时，扩散剂的材料成本下降~23%（图1）。作者团队结合球差透射电镜等表征手段和模拟计算，阐明了Ce和La对Tb扩散的积极效果和它们之间的协同机制，为高性能钕铁硼磁体的晶界扩散提供了重要方向。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202109529
通过第一性原理计算（图2），Tb、Ce和La对Nd2Fe14B晶胞中Nd的替代倾向依次减弱，进而影响其扩散行为。其中，Tb和Ce倾向于替代Nd原子进入2:14:1相，而La则更倾向偏聚于晶界。进一步，作者利用球差透射电子显微镜直接观察到2:14:1相晶胞中Tb、Ce和La的原子尺度分布情况，证明上述计算预测。结合实验观察和微磁学模拟，作者总结了Tb、Ce和La的协同作用（图3和图4）。发现Ce和La的加入可有效降低扩散剂的熔点，有利于改善晶界相与主相之间的润湿性，形成更加均匀的含Tb晶粒。与La相比，Ce更有利于增加Tb的扩散深度，但容易在扩散表面形成富Ce晶粒，降低了磁体的矫顽力和方形度。而通过用La替代部分的Ce，可以抑制富Ce晶粒的形成，获得较高的矫顽力和方形度。
图1 （a） 原始磁体以及Tb70Cu30、(Tb,Ce)70Cu30和 Ce70Cu30扩散磁体的退磁曲线，（b）(Tb52.5Ce100−xLax)17.5Cu30 扩散磁体的矫顽力和方形度随x的变化，原始磁体以及TbCu、TbCeCu和TbCeLaCu扩散磁体的（c）退磁曲线，（d）矫顽力随温度的变化和（e）M–T曲线，（f）2021年稀土Tb、Ce和La的价格以及TbCu和TbCeLaCu 扩散剂的材料成本
图2 （a）Tb、Ce和La掺杂Nd2Fe14B主相第一性原理计算示意图，（b）不同含量Tb、Ce和La取代Nd原子的取代能，（c）晶胞体积随取代量的变化点线图，（d）晶胞磁矩随取代量的变化点线图
图3（a）TbCu、TbCeCu和TdCeLaCu扩散磁体的稀土元素分布图，（b）扩散磁体不同深度能谱取样的示意图，（c）扩散磁体Tb、Ce和La+Ce的质量百分比随扩散深度变化点线图
图4 （a）TbCu、（b）TbCeCu和（c）TdCeLaCu扩散磁体晶界效果的示意图、微磁学模拟模型图和反磁化形核的形核点，（d）模拟的退磁曲线，（e）d中退磁曲线所选区域的放大图
该工作得到了国家自然科学基金、浙江省重点研发计划和浙江省自然科学基金的支持。