“闪热”亚稳致密效应与技术及其在钐铁氮制备中的应用

"闪热"是指将材料快速升温，紧接着又快速冷却的过程。与快淬可使高温相保持到室温类似，"闪热"可使室温稳定相在高温瞬间得以维持；而瞬间高温对压力下的粉末有烧结致密效应。本项目核心是研制一套"闪热"装置，并将其用于解决钐铁氮合成难题。"闪热"快速升温过程(可在几十微秒内升到一千度以上)由电容在样品上快速放电实现；利用高导热电极紧压小样品和液氮实现快速冷却。钐铁氮是目前唯一磁性能优于钕铁硼的材料，然而以下制备困境使其难以取而代之成为新一代稀土永磁。钐铁氮在600摄氏度以上分解导致无法获得致密烧结磁体，故只能用粘结剂把钐铁氮粉粘结起来获得粘结磁体；粘结剂破坏了磁性能。"闪热"可使钐铁氮快速加热超过分解温度，在高温瞬间完成压力烧结致密，高温时间极短，样品没来得及分解就快冷到低温，这有望克服钐铁氮的制备瓶颈。本项目预计形成具有自主知识产权的"闪热"装置与技术并用其解决钐铁氮合成难题，开辟新研究方向。

本项目初始计划是开发“闪热”新型实验技术，研制一套大电流闪热处理装置并将其用于钐铁氮等低温亚稳材料的高温致密化探索。“闪热”是指将材料在瞬间达到高温，紧接着快速降温的过程。材料在闪热过程中由于维持高温的时间极短，因此材料有望在高温维持低温相结构，这与传统快冷快淬工艺中高温相可以维持到低温类似，但过程正好相反。闪热技术可用于处理低温稳定而高温不稳定的亚稳材料，这类材料用传统加热方法无法烧结致密因高温发生分解或相变，闪热为这个问题的解决提供了可能。在项目实际执行过程中,我们研制了一套闪热处理装置：工作电流可达5万安培，通过样品的电流密度可达每平方米数百兆安，闪热时间可以低至1/50秒且时间长度可按需要任意调整。我们利用上述自制闪热装置详细研究了锰氮和钐铁氮化合物在不同闪热条件下结构和磁性的变化，发现闪热的确可以使本来高温容易分解的物相在高温瞬间保持不分解，另外可以在一定程度上使材料致密、晶粒细化。首次提出了闪热反序快淬的概念及其潜在应用。在钐铁氮合成方面我们利用扩散工艺解决了钐铁合金熔炼过程中钐挥发导致原子配比和均匀性难以控制的难题，可实现钐铁合金大规模生产；我们利用气流磨工艺细化钐铁氮三元颗粒最近也取得不错的突破，有望解决其工业化难题。我们还在光催化、薄膜、磁致伸缩、磁热、交换偏置、锰基强磁等方向做了一些拓展性探索。我们采用空气中电弧放电的办法大量获得了催化性能良好的氮掺杂二氧化钛颗粒。采用氮离子注入技术获得了氮掺杂二氧化钛催化膜。利用直接反应法获得了硫化铁包裹铁的磁性可回收光催化剂。用溶胶凝胶法制备了过渡金属掺杂二氧化钛和氧化锌光催化剂。我们系统研究了金属薄膜在液相和固相基底上的生长和形貌转化规律。我们研究了一系列合金的磁滞伸缩效应，特别是在铽镝铁钴体系中发现巨磁致伸缩效应。系统研究了一系列新体系的磁热效应，特别是发现了应变对锰砷磷体系结构和磁热效应的影响规律。研究了铬及其氧化物的相变和交换偏置。还研究了锰铝和锰铋无稀土强磁体系单相的合成和磁性。在纳米颗粒自组装体系中观察到磁极相互作用导致的超磁畴和尺度分离现象。