第一作者：黄英正盛
通讯作者：杜娟教授，郑强教授
通讯单位：上海大学材料科学与工程学院
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2026.102045
DOI: 10.1016/j.mtphys.2026.102045
1. 全文速览
兼具高饱和磁化强度和高矫顽力的软磁相@硬磁相纳米复合永磁材料，被誉为下一代永磁材料的理想候选，其理论磁能积极高且可大幅节约昂贵的稀土与稀有金属资源。然而，在实际的SmCo/FeCo纳米复合体系中，高矫顽力难以实现，成为制约其性能突破与应用的核心瓶颈。
近日，上海大学材料学院杜娟教授团队在Materials Today Physics上发表了题为“Magnetic hardening via in-situ formed semi-coherent soft/hard magnetic phases in SmCo/FeCo nanocomposites”的研究论文。该工作采用“理论模型指导-微观结构精准调控”一体化策略，通过微磁学模拟揭示了软/硬磁相“接触”界面是提升交换耦合效果进而提高矫顽力的关键。利用“非晶-晶化”制备工艺，成功在SmCo/FeCo复合材料中原位构筑了具有半共格界面的软/硬磁相接触纳米结构。该结构显著增强了相间交换耦合作用，最终在Fe添加量高达28 wt%的情况下，将纳米复合磁体的矫顽力提升至6.4 kOe，最大磁能积提升至17 MGOe，比传统非接触结构磁体分别提升28%和18%，为开发高性能、低成本纳米复合永磁材料提供了全新的微观结构设计思路与可实现的工艺路径。
2. 研究背景
在追求高功率密度电机与高温稳定性的驱动下，对兼具高磁能积与高居里温度永磁材料的需求日益迫切。SmCo基磁体虽拥有超过700℃的高居里温度，但其磁能积理论极限较低（约30 MGOe），且昂贵的Sm和Co元素提高了成本。引入高饱和磁化强度的FeCo软磁相形成纳米复合材料，理论上可将磁能积提升近一倍（65 MGOe），并降低成本。然而，目前主流的通过高能球磨使SmCo合金与Fe粉非晶纳米晶化后热处理再结晶的方法，极易在软/硬磁相之间形成非晶隔离层，导致两相间交换耦合作用减弱。其结果是，尽管剩磁得以提高，但由于软磁相易成为反磁化开始的位点，导致矫顽力远低于SmCo硬磁相的本征值（通常≤5 kOe），严重限制了可获得的磁能积及其高温应用潜力。因此，如何在不牺牲剩磁的前提下，大幅提升纳米复合磁体的矫顽力，成为领域内亟待攻克的关键科学问题与技术难题。
3. 本文亮点
1. 理论先行，模拟指路：率先通过微磁学模拟，直观对比了软/硬磁相“直接接触”与“非晶隔离”两种微观结构下的磁化与反磁化过程。模拟结果明确指出，软硬磁相直接接触的结构能形成更大的磁畴、增强交换耦合，从而“硬化”软磁相。这是同时获得高剩磁与高矫顽力的理想构型。
2. 工艺创新，界面调控：摒弃传统的“粉体混合-球磨”思路，创新性地采用预合金化Sm-Co-Fe铸锭进行球磨，获得完全非晶前驱体。通过后续受控晶化，成功驱动FeCo软磁相与SmCo硬磁相（主要为1:7相）同步形核、协同生长，最终原位形成两相直接接触的独特纳米复合结构。
3. 结构解析，机制明晰：借助高分辨透射电镜（HRTEM）分析，在该体系中观察到FeCo与SmCo7两相间形成的半共格界面，其晶格失配度仅为1.2%。这种低缺陷密度的界面为强交换耦合提供了理想通道。
4. 性能突破，记录创造：得益于独特的半共格接触结构，所制备的各向同性纳米复合磁体在Fe添加量高达28 wt%的条件下，矫顽力达6.4 kOe，最大磁能积达17 MGOe，矫顽力处于高Fe含量纳米复合磁体的领先水平，成功打破“高Fe含量”与“高矫顽力”不可兼得的困境。
4. 图文导读
图1微磁学模拟不同结构的结果：（a）H-A-S模型和（b）H-S模型;（c）两种模型的初始磁化曲线;（d）两种模型的退磁曲线;（e-h）H-A-S模型的初始磁化过程;（i-1）H-S模型的初始磁化过程;（m-p）H-A-S模型的退磁过程;（q-t）H-S模型的退磁过程。
图1微磁模拟揭示“接触”与“隔离”软硬磁相结构的性能差异机制。团队首先构建了“硬磁-非晶-软磁”（H-A-S，模拟传统隔离结构）和“硬磁-软磁”（H-S，模拟理想接触结构）两种微磁模型。模拟结果显示，H-S模型具有更高的矫顽力（比H-A-S模型高30%）。对磁畴演化的分析表明，在H-S结构中，与硬磁相接触的软磁相区域被有效“硬化”，反向磁畴成核场提高；同时，移动的磁畴壁能被钉扎在软磁相晶粒内部，从而显著延缓了整个体系的退磁过程，从理论上证实了构建直接接触界面是提升性能的关键。
图2 不同阶段样品的相表征：（a）SmCo3.6Fe2.5合金的BSE-SEM图像和（b）EDS线扫描分析结果;（c）Fe粉、SmCo3.6和SmCo3.6Fe2.5铸态合金的XRD图谱;（d）磁体I（由SmCo3.6Fe2.5合金锭制备）和磁体II（由混合的SmCo3.6合金和Fe粉制备）的XRD图谱。
图2展示了不同合金的相组成。为在实验中实现模拟预测的理想结构，研究团队设计了全新的材料制备路径：（I）采用预合金化SmCoFe铸锭球磨获得完全非晶前驱体（磁体I前驱体）；（II）传统SmCo合金粉与Fe粉混合球磨获得“非晶+FeCo纳米晶”前驱体（磁体II前驱体）。两者经相同条件退火后，XRD表明磁体I中形成了1:3、1:5、1:7多种SmCo硬磁相与FeCo软磁相，而磁体II中仅有1:3相与FeCo相。这为形成复杂界面结构奠定了基础。
图3 磁体I微观结构的TEM结果：（a）明场像;（b）（a）图对应的SAED结果;（c）晶粒尺寸的统计结果;（d）HRTEM图像；（e、f、h）（d）中I、II、III区对应的FFT图像;（g）（d）中III区对应的IFFT图像;（i）Sm(Co，Fe)7和Fe(Co)之间的半共格界面示意图;（j）半共格软/硬磁相晶粒形核和生长过程示意图。
图3是半共格界面结构的微观证据，对磁体I的透射电镜结果分析发现了关键证据。如图3(d-h)所示，FeCo晶粒与SmCo7晶粒直接接触。FFT与晶格测量分析表明，两相满足[011]FeCo//[001]SmCo7的晶体学位向关系，其(100)面近乎平行。计算发现，3层FeCo的(100)面间距与2层SmCo7的(100)面间距几乎相等，晶格失配度仅1.2%，从而以引入失配位错的方式形成了“半共格界面”。图3(j)示意图清晰地展示了这种通过完全非晶前驱体共晶化，最终形成半共格接触FeCo/SmCo7晶粒并伴随多硬磁相的独特微观结构演化历程。
图4 磁体I和磁体II的磁性能：（a）退磁曲线;（B）BHi–H和B–H曲线;（c）本工作中制备的磁体I的矫顽力与文献中的SmCo/Fe(Co)纳米复合材料比较;（d）Henkel曲线;（e-f）可逆磁化强度与不可逆磁化强度随外磁场的变化。
图4 优异的磁性能与增强的交换耦合。磁性能测试有力验证了模拟预测与结构设计的成功。如图4(a-b)，具有半共格接触结构的磁体I，其矫顽力（6.4 kOe）和最大磁能积（17 MGOe）均显著高于传统隔离结构的磁体II（5.0 kOe， 14.4 MGOe）。图4(c)的统计对比显示，磁体I的矫顽力在Fe含量≥25 wt%的SmCo/FeCo纳米复合磁体中脱颖而出。进一步的Henkel曲线（δM）和可逆/不可逆磁化分析（图4(d-f)）证明，磁体I具有更强的交换耦合作用、更高的反向磁畴成核场及更强的磁畴壁钉扎效应，从实验上全面揭示了其高矫顽力的物理起源。
图5 .磁体I的原位磁化过程和高温磁性能。（a-b）在不同磁场下的洛伦兹TEM过焦像;（c）初始磁化曲线和dM/dH曲线;（d）从25 ℃到400 ℃测量的矫顽力和退磁曲线的温度依赖性。
图5原位磁畴观测直接验证交换耦合增强机制。为了从实验上直接观测磁畴行为并验证模拟预测，研究团队对磁体I进行了原位洛伦兹透射电镜观测。图5(a-b)清晰地展示了在低外磁场下，磁体I的磁畴壁移动受到限制，磁畴结构更加稳定，表明软磁相被有效“硬化”，反向磁畴的形核与扩展受到更强抑制。这一直观的实验现象与微磁模拟的结果（图1）以及Henkel曲线分析（图4）完全吻合，三重证据共同锁定了“增强的交换耦合作用是矫顽力提升的根本原因”这一核心机制，为整个研究提供了坚实的实验证据。此外，该纳米复合磁体还拥有低于商业SmCo磁体的矫顽力温度系数（−0.213 %/◦C），也表明其在高温应用中的潜力。
5. 结论与展望
本工作通过“计算模拟指导设计-工艺路线创新实现-微观结构精准解析-磁性能机制关联”的完整研究链条，成功解决了SmCo/FeCo纳米复合永磁体矫顽力低的瓶颈问题。研究不仅从理论上明确了软/硬磁相“直接接触”界面的优越性，更在实践上发展出通过预合金化与受控共晶化来原位构筑半共格界面的方法，最终实现了矫顽力与磁能积的协同提升。该成果的意义在于，它摆脱了通过试错法优化工艺的传统模式，为高性能纳米复合永磁材料的研发提供了清晰的物理内涵和可行的微结构调控策略。未来，此策略可进一步拓展至其他金属复合永磁体系，为设计开发面向下一代高端电机与高温应用的新型永磁材料开辟了新道路。
6. 作者简介
本工作中，上海大学博士研究生黄英正盛为第一作者，杜娟教授和郑强教授为通讯作者。
杜娟，上海大学教授、伟长学者，从事磁性功能材料的研究，主要研究方向为纳米晶稀土永磁材料。2012年获得浙江省杰出青年基金项目资助；2014年获得国家优秀青年基金资助；2015年入选“宁波市领军拔尖人才培养工程”第一层次；2018年入选浙江省“151人才工程”。2021年获得国际学术组织“IAAM”和“Vebleo”机构授予的Scientist Award科学家奖；2022年获得IAAM Fellow称号；获得2024年度中国稀土学会“稀土科学技术奖”。在Nat. Commun.，Nano Lett.，J. Mater. Sci. Technol.，Mater. Today Phys.，Small，Nano Res.等国际知名学术期刊发表学术论文150余篇，论文引用2700余次，h-index为26。
郑强，上海大学教授、博士生导师，长期从事金属功能材料的研究，主要研究方向为高性能稀土永磁材料。目前在J. Mater. Sci. Technol.，Energy Environ. Mater.，Nano Res., Int. J. Hydrogen Energy, Appl. Therm. Eng.等国际学术期刊发表SCI论文70余篇，论文引用2200余次。
本工作获得国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的支持。
7. 文献信息
Yingzhengsheng Huang, Wei Quan, Qiyao Geng, Longfei Ma, Qiang Zheng*, Juan Du*, Magnetic hardening via in-situ formed semi-coherent soft/hard magnetic phases in SmCo/FeCo nanocomposites, Materials Today Physics, 62, 2026, 102045, https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2026.102045
