无稀土MnAl永磁合金有序化相变、微观结构和磁性能的掺杂调控机理

The development of high-performance Rare-Earth-free permanent magnets is an important research field of permanent magnets. MnAl magnetic material is one of the most promising high-performance Rare-Earth-free permanent magnets due to their high magnetocrystalline anisotropy, low cost and other characteristics. Aiming to the issues faced with Rare-Earth-free MnAl permanent magnet in the field of L10 ordering and magnetic properties, we intend to fabricate MnAl alloys by using rapid quenching and magnetron sputtering techniques, and propose to regulate the L10 ordering phase transformation, microstructure and magnetic properties of MnAl alloys via doping elements with different magnetic moment and atomic radius. Using XAFS in Shanghai Synchrotron Radiation facility and other material characterization techniques, the mechanism of L10 ordering phase transformation in MnAl alloy will be clarified from atomic and nanometer level for the first time, and the regulation mechanism of doping elements on the L10 ordering, microstructure and magnetic properties of MnAl alloys will also be revealed. Finally, we will explore the possible ways to optimize L10 ordering and magnetic properties of MnAl permanent magnets through doping elements. The research in this project will provide theoretical basis for the optimization of microstructure and magnetic properties of MnAl alloy and the development of high-performance Rare-Earth-free MnAl permanent magnets, promote the development and application of MnAl permanent magnets.

开发无稀土高性能永磁材料是当今永磁材料研究的重要方向,无稀土MnAl永磁合金由于其强的磁各向异性及低的成本等特点,是一种非常有潜在应用价值的新型高性能无稀土永磁材料。针对无稀土MnAl永磁合金在L10有序化相变和磁性能方面存在的问题,本项目从真空快淬和磁控溅射MnAl合金样品出发,提出在MnAl合金中通过掺杂不同磁矩和不同原子半径的元素来调控其 L10有序化相变、微观结构及磁性能。利用同步辐射XAFS技术并辅以相关材料表征手段,从原子和纳米水平上揭示MnAl合金永磁材料的L10有序化相变机理,阐明掺杂元素对MnAl合金的L10相变、微观结构和磁性能的调控机理,探索通过元素掺杂来调控MnAl永磁合金的L10有序化相变和磁性能的可能途径，为进一步优化MnAl合金的微观结构和磁性能、完善和发展新型高性能无稀土MnAl永磁材料提供理论依据,促进MnAl永磁材料的发展和应用。

永磁材料广泛应用于磁悬浮、医药设备及电动汽车、风力发电的马达系统等。但稀土资源有限且价格昂贵，同时生产过程中带来严重环境污染，限制了稀土永磁材料的未来发展。L10有序MnAl合金具有高的磁各向异性（107erg/cc）、较高的矫顽力（可达4kOe以上）、低的密度（理论密度5.2 g/cm3，远低于Nd-Fe-B的7.55 g/cm3），尤其具有低的成本、良好的机械加工性能，是一种非常有潜在应用价值的新型高性能无稀土永磁材料。.课题组首先以Mn55Al45为研究对象，研究了热处理工艺对MnAl永磁合金组织结构和磁性能的影响，通过掺杂Fe、Co元素来调节MnAl合金的微观组织结构和磁性能，深入认识了磁性能与组织结构的内在关系，并采用球磨法在MnAl体系内引入钉扎中心，从而有效提高合金的矫顽力。.MnAl基合金中掺杂碳元素已有大量的相关报道，研究表明原于半径小的碳原子会占据四方晶胞的(1/2，1/2，1/2)位置，即取代Al原子的空间占位，使其内应力减小且机械性能改善，同时使磁性τ相的稳定性明显提升。课题组在MnAlC体系相关研究的基础上，通过把C替换为元素周期表上临近元素（B、Si），探究了其对MnAl合金的相变行为与物相结构的影响，对磁性能进行调控与优化。.通过在MnAl合金体系中掺杂与锰原子半径类似的3d过渡金属V和Cr(其中V为0.122Å，Cr 为0.118Å，Mn为0.117Å)，以Mn-Al-V和Mn-Al-Cr合金体系为基础，系统研究了3d过渡金属元素掺杂与MnAl合金相变行为及物相结构之间的关系，并在不同热处理工艺条件下探究了各合金掺杂体系的物相演变规律以及其对磁性能的影响，进而从材料成分、微观结构和磁性能的角度综合分析过渡金属元素的调控机理与作用。.为了进一步改善其Ms，以综合磁性能优异的MnAlC1.7为基体进一步引进微量3d过渡铁磁性元素（Fe, Co, Ni）以增大材料单位体积内的净磁矩，进而提高材料整体的饱和磁化强度。同时探究最佳热处理工艺以实现不同掺杂体系最大程度的L10有序化转变，并以此为基础研究双元素掺杂MnAl基合金的相变行为及微观结构变化。