高性能铁磁性块体非晶合金的探索与结构性能研究

Ferromagnetic bulk amorphous alloys (FBAA) have wide potential application in many field. Studies on correlation between microstructure and properties can provide an effective way for discussing and clarifying scientific fundamental of ferromagnetic amorphous materials, such as physical mechanism of high glass-forming ability (GFA), electronic structural origin of excellent soft-magnetic properties, large plastic strain, large magnetocaloric effect and spin glass behavior, which should be very beneficial for exploring and preparing new FBAA with high GFA, excellent soft-magnetic properties and large plastic strain, etc. The project intends to utilize advanced experimental techniques, such as synchrotron radiation X-ray, neutron scattering techniques, nuclear magnetic resonance spectrometry and X-ray photoelectron spectroscopy, combined with ab-initio molecular dynamics simulation, to detailedly investigate the order parameters that influence the GFA of FBAA, and also to reveal the influence of rare earth elements on the atomic, electronic structure and physical properties of FBAA. Based on the investigation results, we will establish the relationship between structure and properties of FBAA, clarifying the physical mechanism and the structural origin of its unique properties, which will provide theoretical guiding for the large-scale production and application of FBAA. The project has important scientific significance and practical value for promoting the theoretical development of the amorphous alloys, as well as guiding the exploration of the novel FBAA with high performance.

铁磁性块体非晶合金具有广阔应用前景，对其微观结构和性能相关性的研究，为我们探讨并厘清铁磁性非晶态物质领域的基本科学问题，如非晶形成能力的物理本质以及带来优异软磁性能、大塑性应变能力、大磁热效应、自旋玻璃行为等特性的电子结构起源，进而探索和制备新型具有大非晶形成能力、优异磁学性能及大塑性应变能力的铁磁性块体非晶合金提供了有效途径。本项目拟利用同步辐射X射线、中子散射技术、固体核磁共振技术及X射线光电子能谱等先进实验手段结合第一性原理分子动力学模拟，深入研究影响铁磁性块体非晶合金形成能力的原子结构序参量、稀土元素掺杂对原子与电子结构和物理性能的调控作用，旨在建立铁磁性块体非晶合金结构与性能的关系，揭示其具有独特性能的物理机制和结构起源，为铁磁性块体非晶合金的规模化制备与应用提供理论指导。本项目对促进非晶合金基础理论的发展、指导新型铁磁性块体非晶合金的开发，具有重要科学意义和实践价值。

铁磁性块体非晶合金具有优异物理化学性能，有望成为超灵敏传感器、超低损耗铁芯、高效磁热工质、高效稳定水处理及电解水催化的关键材料。本项目围绕高性能铁磁性块体非晶合金探索制备与结构性能研究，综合运用实验和计算模拟，建立了原子电子结构与力学、磁性、化学性能之间的内在关联，调控制备了新型具有大非晶形成能力及优异功能特性的铁磁性块体非晶合金，主要获得了以下代表性成果：（1）利用成分设计、结构及能量状态调控等多种手段制备得到一系列高强高韧、软磁性能优异的铁磁性非晶合金，揭示了铁磁性非晶合金韧脆转变机理，为进一步开发高性能铁磁性块体非晶合金提供了理论依据。（2）系统分析了Gd基非晶合金形成能力改善的物理机制与结构起源，设计制备了一系列具有良好磁热性能的稀土基高熵非晶合金，为开发潜在稀土磁制冷材料、深入认识磁热效应提供了理论指导。（3）利用成分调控及磁场热处理手段开发了兼具低矫顽力和高饱和磁感强度新型软磁非晶合金，从磁畴及原子结构角度厘清了磁场处理手段对软磁性能的影响机制，推动铁基非晶合金作为软磁材料的更广泛应用。（4）通过成分设计、能量状态调控等方法，获得了一系列可高效稳定降解废水染料的Fe基非晶合金，促进了Fe基非晶合金在污水处理领域的应用；设计制备了可高效稳定催化电解水的铁磁性非晶合金，为探索低成本电解水制氢催化剂奠定基础。（5）以第一性原理分子动力学为主要研究手段，揭示了Fe基等非晶合金体系微观结构与非晶形成能力的关联性，为理解非晶合金形成能力提供重要指导；采用机器学习方法建立了合金成分与性能之间的关联，有助于缩短新材料研发周期。本项目在Mater. Today, J. Mater. Chem. A, ACS Appl. Mater. Interfaces, Nano Res., Phys. Rev. Lett., J. Mater. Sci. Technol., Corros. Sci., Scripta Mater.等期刊发表论文90篇，申请发明专利20项，培养博士生11人、硕士生25人。本项目的研究对于厘清铁磁性非晶合金原子电子结构与结构功能特性的关联、指导新型铁磁性块体非晶合金的开发具有重要意义。