AFM | 中科大/中科院赣江院池啸/谭果果：曲率诱导各向异性驱动空心Y2Fe17宽频磁损耗与超强微波吸收

笔名：高频磁材

一、 【导读】  

磁性微波吸收材料在雷达隐身、电磁兼容与高频通信等领域具有关键作用，但其性能往往受限于材料本征磁各向异性与规则磁畴结构，难以在宽频段内实现强磁损耗。针对这一瓶颈，中国科学技术大学联合中国科学院赣江创新研究院与宁波材料所，提出了一种基于曲率诱导内应力的磁各向异性调控新策略。

研究团队利用气雾化技术构筑空心 Y₂Fe₁₇ 微球，在快速凝固过程中通过壳层曲率引入稳定的残余压应力。该应力场在不改变化学组分的前提下，实现了晶格压缩、轨道磁矩增强与磁畴结构碎片化的协同调控，显著提升了 2–18 GHz 频段内的磁损耗能力，使材料在仅 2.1 mm 厚度下实现 −72.5 dB 的超低反射损耗与 7.5 GHz 的超宽有效吸收带宽，为高性能轻质微波吸收材料提供了全新的设计范式。

二、【成果掠影】

1. 气雾化制备高纯度空心 Y₂Fe₁₇ 微球，内壳层天然引入曲率诱导残余压应力

• 内应力驱动晶格压缩与原子级无序，增强自旋–轨道耦合

• 轨道磁矩放大、磁晶各向异性显著增强，磁畴高度碎片化

• 在 2–18 GHz 宽频段内实现显著提升的磁损耗（μ″）

• 超薄厚度（2.1 mm）下实现 −72.5 dB 超强吸收与 7.5 GHz 超宽带宽

• 构建“Strong、Slim、Superior、Small density”的 4S 级微波吸收体系

 三、【核心创新点】

·  曲率诱导内应力的新型物理调控路径
首次系统揭示中空磁性微球壳层曲率在快速凝固过程中诱导并“冻结”残余压应力的机制，将几何结构转化为可控的磁性调制手段。

·  应力–各向异性–磁畴的多尺度耦合机制
通过同步辐射表征、磁畴成像与微磁模拟，阐明内应力如何通过晶格畸变抑制轨道猝灭、增强磁晶各向异性，并诱导高密度弯曲畴壁形成。

·  无需成分调控的宽频磁损耗增强策略
在不引入掺杂、不构筑多相界面的前提下，实现对磁损耗强度与频带的同步提升，为稀土–过渡金属体系突破本征限制提供普适方案。

 四、【数据概览】

1. 空心结构的形成与晶格应变表征

研究团队采用气雾化法制备了具有高化学纯度和球形形貌的空心及实心Y₂Fe₁₇颗粒。由于快速凝固过程中的表面优先凝固和固-液密度差，液滴内部形成压力梯度并最终形成空腔，导致内壳层积累了显著的残余压应力。XRD结果表明空心颗粒发生高角度偏移，HRTEM进一步证实了内壳层存在多晶畴和显著的晶格畸变，这种应力诱导的结构特征为后续的各向异性调控奠定了基础。

图1：实心与空心Y₂Fe₁₇颗粒的结构表征及形成机理

2. 原子尺度的应力效应：键长收缩与无序

X射线吸收精细结构（EXAFS）分析表明，空心样品的Fe-Fe配位峰向低R方向移动，证实了Fe-Fe键长的收缩。小波变换（WT）分析进一步揭示了键长无序度的增加。Rietveld精修结果显示，与实心颗粒相比，空心颗粒表现出晶格收缩（体积收缩约0.85%）和晶粒细化，且不同粒度（曲率）的空心球内部XRD峰偏移程度不同。这些原子尺度的证据与宏观XRD结果一致，确认了残余压应力在原子层面上对晶体结构的显著调制作用。

图2：空心颗粒的结构精修及局域原子环境分析

3. 磁学性质：各向异性增强与磁畴细化

磁性测试表明，空心颗粒表现出比实心颗粒更高的矫顽力（Hc），表明磁晶各向异性增强。X射线磁圆二色性（XMCD）揭示了这一增强的电子起源：空心壳层中的晶格畸变打破了局部晶体场对称性，抑制了轨道猝灭，导致轨道磁矩与自旋磁矩之比（ul/us）增加，增强了自旋-轨道耦合（SOC）。磁力显微镜（MFM）和洛伦兹透射电镜（L-TEM）直观地展示了空心颗粒表面破碎、不规则的磁畴结构和高密度的弯曲畴壁，这种复杂的磁畴构型为电磁波提供了丰富的损耗通道。

图3：实心与空心Y₂Fe₁₇颗粒的磁性表征及磁畴结构

4. 卓越的微波吸收性能与“4S”特征

得益于应力诱导的各向异性增强和磁畴细化，空心Y₂Fe₁₇在2-18 GHz范围内表现出显著增强的复磁导率虚部（μ”）。电磁参数测试显示，该材料在2.1 mm的厚度下，实现了-72.5 dB的超低反射损耗（RL）和7.5 GHz的超宽有效带宽（覆盖X和Ku波段）。与实心颗粒相比，空心结构在吸波强度、带宽、厚度和密度上全面胜出，完美诠释了“4S”特征。

图4：空心与实心颗粒的电磁参数及微波吸收性能

5. 损耗机制：能量局域化与多重反射

全波模拟（HFSS）进一步揭示了空心结构的损耗机理。能量流分布图显示，电磁波在空腔内经历了多次反射，且能量耗散显著集中在应力集中的内壳层区域。这种几何结构与应力场的协同作用，使得空心Y₂Fe₁₇能够有效地捕获并耗散入射电磁波。与其他文献报道的先进吸波材料相比，本工作的材料在RL-带宽性能图上处于优势地位。

图5：空心Y₂Fe₁₇吸波体的电磁模拟及性能对比

五、【成果启示】

该研究表明，结构曲率本身即可作为一种有效的“内禀调控参数”，通过诱导稳定残余应力，实现对磁各向异性与磁损耗行为的深度调控。这一策略突破了传统依赖化学成分或复杂复合结构的设计思路，为稀土磁性材料在宽频微波吸收领域的性能提升提供了全新维度。

更重要的是，该方法具有材料体系通用性强、工艺可放大、性能调控连续可调等优势，具备向其他 R₂Fe₁₇ 及相关磁性合金体系推广的潜力，为下一代轻质、超薄、宽频电磁吸收材料与应力工程功能材料的发展提供了重要启示。

原文详情：https://doi.org/10.1002/adfm.202531603

本文由高频磁材供稿