項(xiàng)目名稱： 新型納米復(fù)合磁性材料及其應(yīng)用的關(guān)鍵基礎(chǔ)研究 首席科學(xué)家： 張志東 中國(guó)科學(xué)院金屬研究所 起止年限： 2010 年 1 月 8 月 依托部門： 中國(guó)科學(xué)院 一、研究?jī)?nèi)容 納米復(fù)合永磁材料 關(guān)鍵科學(xué)問題： 進(jìn)行納米復(fù)合永磁材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，發(fā)展納米復(fù)合永磁材料 可控 制備技術(shù)。特別是重視發(fā)展以 學(xué)過程 +快速燒結(jié) 為主導(dǎo)的技術(shù)路線，力爭(zhēng)突破制備高性能的各向異性納米復(fù)合永磁材料的技術(shù)瓶頸。 研究納米晶的生長(zhǎng)機(jī)制、結(jié)構(gòu)特征、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和性能可靠性，從一個(gè) 更深的層次 來理解納米復(fù) 合永磁材料的納米晶在生長(zhǎng)過程中的行為及其與磁性能之間的關(guān)系。從理論上分析不同結(jié)構(gòu)的 納米復(fù)合磁性材料 中導(dǎo)致軟磁相不成為反磁化核的中心而能夠和硬磁相耦合在一起的臨界尺寸與微觀組織結(jié)構(gòu)特征。探索滿足實(shí)現(xiàn)納米耦合的高矯頑力的硬磁新相和高飽和磁化強(qiáng)度的軟磁新相。從實(shí)驗(yàn)方面調(diào)節(jié)和改變材料的交換作用強(qiáng)度、改變和增強(qiáng)材料的磁晶各向異性、飽和磁化強(qiáng)度，從根本建立易于實(shí)現(xiàn)納米耦合的條件。研究新型 可控 制備技術(shù) 相分離 過程 中亞穩(wěn)相的成相規(guī)律及 其與成分、溫度、時(shí)效的關(guān)聯(lián)性。 建立納米復(fù)合磁性材料微觀組織結(jié)構(gòu)與磁性能的關(guān)系模型 ， 獲得 相分離 后的相關(guān)聯(lián)性及它們之間的磁交換作用機(jī)制和交換耦合的條件。用快速燒結(jié)制備納米晶和熱變形等工藝制備高性能的各向異性米復(fù)合永磁材料，通過優(yōu)化兩相的微觀組織結(jié)構(gòu)和成分， 以獲得最佳永磁性能的材料，掌握 新型納米復(fù)合結(jié)構(gòu)制備的關(guān)鍵技術(shù)。 主要研究?jī)?nèi)容： 1、 納米復(fù)合永磁材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備技術(shù)的發(fā)展 采用快淬、 合相分離法、 化學(xué)合成、 快速燒結(jié)制備納米晶和熱變形工藝等多種新工藝和實(shí)驗(yàn)手段，探索適宜 可控 制備納米結(jié)構(gòu) 永磁 材料的方法，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)硬磁軟磁雙相耦合或硬磁相間的耦合，而且實(shí)現(xiàn)硬磁晶粒 排列取向呈現(xiàn)織構(gòu)，以求接近或達(dá)到理論預(yù)期的高磁能積，掌握制備新型高性能 納米復(fù)合永磁材料 的關(guān)鍵技術(shù)、獲得最佳的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)與磁性能，這是本課題的創(chuàng)新性之處。 特別是重視發(fā)展以 學(xué)過程 +快速燒結(jié) 為主導(dǎo)的技術(shù)路線，力爭(zhēng)突破制備高性能的各向異性納米復(fù)合永磁材料的技術(shù)瓶頸。 研究相分離與成分、溫度、時(shí)效的關(guān)聯(lián)性。研究相分離法、熱變形工藝等非平衡過程的 相形成規(guī)律 及結(jié)晶過程中的晶體學(xué)生長(zhǎng)特征，相分離的介觀結(jié)構(gòu)變化 、 相交換耦合的結(jié)構(gòu)條件。掌握用上述方法 制備 、 2:17 相、新型 1:7 相等為主體的 納米復(fù)合永磁材料 的成分設(shè)計(jì)及工藝條件， 控制納米復(fù)合永磁材料的晶粒尺寸和微觀結(jié)構(gòu)，以獲得最佳永磁性能。 2、 納米復(fù)合磁性材料 的 磁性 耦合 機(jī)理 研究永磁相和軟磁相實(shí)現(xiàn)納米耦合的機(jī)理和條件。如：用中子衍射技術(shù)與術(shù)結(jié)合確定材料的磁性相結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)，研究成分、結(jié)構(gòu)、元素晶格占位、磁性相變、健長(zhǎng)、夾角等結(jié)構(gòu)因素與材料性能的關(guān)系。用磁力顯微鏡觀測(cè)新相的磁疇結(jié)構(gòu)，結(jié)合磁性測(cè)量研究磁疇寬度、疇壁厚度及其影響因素與耦合作用強(qiáng)度、磁晶各向異性、飽和磁化強(qiáng)度、最大磁能積等磁性參數(shù)的關(guān)系。用 子顯微鏡觀測(cè)材料 中晶粒結(jié)構(gòu)、取向、尺寸對(duì)磁性的影響。即綜合利用各種觀測(cè)手段，獲得物質(zhì)結(jié)構(gòu)和磁性結(jié)構(gòu)與材料最終性能的關(guān)系，為研究納米耦合機(jī)理和優(yōu)化耦合條件提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。 理論分析不同結(jié)構(gòu)的 納米復(fù)合磁性材料 中形成最佳磁性交換耦合的臨界尺寸；從實(shí)驗(yàn)上探索滿足具有高矯頑力的硬磁和高飽和磁化強(qiáng)度的軟磁相耦合 的 條件。本課題的創(chuàng)新性之一就是利用 交換彈性耦合效應(yīng) 或納米復(fù)合微觀組織結(jié)構(gòu)來改變材料的交換作用強(qiáng)度、磁晶各向異性、飽和磁化強(qiáng)度，來調(diào)節(jié)材料的交換長(zhǎng)度 壁厚度 W、單疇臨界尺寸 及硬磁參數(shù) ，建立易于實(shí)現(xiàn)納米耦合的微觀結(jié) 構(gòu)和條件。從實(shí)驗(yàn)測(cè)定的總交互作用中分離出對(duì)磁化過程有重要意義的短程交換和長(zhǎng)程磁偶極交互作用 。 建立微觀組織結(jié)構(gòu)與磁性能的關(guān)系模型 ， 研究其磁性交換耦合作用機(jī)制和條件，實(shí)現(xiàn)納米復(fù)合微觀組織結(jié)與磁性能的可控制備。 3、 探索實(shí)現(xiàn)納米耦合的高矯頑力和高磁能積的硬磁新相和高飽和磁化強(qiáng)度的軟磁新相 元素周期表中常溫下能夠提供強(qiáng)磁性的金屬只有 o,中 性最強(qiáng)，其原子磁矩 B。 金的原子磁矩可提高到 B。本項(xiàng)目將采用間隙原子效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)最有效的磁性調(diào)制。將 N、 C、 H 等作為間隙原子 加入母合金，基于間隙原子的磁體積效應(yīng)和化學(xué)鍵效應(yīng)，改變稀土鐵化合物的電子能帶結(jié)構(gòu)和晶場(chǎng)作用。同時(shí)，改變材料的磁疇結(jié)構(gòu)，形成硬磁材料理想的 180 度疇壁的磁疇結(jié)構(gòu)，探索制備新型高性能永磁相。進(jìn)一步開展間隙原子效應(yīng)研究，包括電子能帶結(jié)構(gòu)、晶場(chǎng)作用計(jì)算，為有效地調(diào)控材料的內(nèi)稟磁性提供依據(jù)。同時(shí)擬把間隙原子效應(yīng)研究擴(kuò)展到軟磁材料，尋求飽和磁化強(qiáng)度高于 金的間隙型軟磁材料，探索新型的高矯頑力兼高磁能積的雙相納米耦合材料。這是本課題的另一創(chuàng)新點(diǎn)。 4、 高性能 永磁納米復(fù)合材料的化學(xué)合成 及磁體的 應(yīng)用 研究 基于交換 彈性耦合機(jī)理，在理論分析的基礎(chǔ)上， 研究發(fā)展 可控 制備納米 尺度硬磁與軟磁 耦合 復(fù)合 磁體的新技術(shù)和新方法。采用 學(xué)過程 、 快淬、速凝等方法制備永磁 /軟磁 各向異性的 納米耦合磁粉或磁體，探索新工藝對(duì)磁粉性能的影響 。 綜合各種方法的特點(diǎn) 發(fā)展 出簡(jiǎn)單實(shí)用的生產(chǎn)工藝。優(yōu)化工藝條件，制備出高性能的 硬磁與軟磁耦合 各向異性磁粉 /磁體 。以此為基礎(chǔ)，研究用有機(jī)和無機(jī)納米薄膜包覆對(duì)磁粉綜合性能的影響，同時(shí)開展永磁 /軟磁的納米耦合研究，以期制備出更高磁性能的 各向異性 納米復(fù)合稀土永磁磁粉。最終目標(biāo)是制備出新型高性能、溫度穩(wěn)定性好 的 耦合納米復(fù)合 磁粉 /磁體，為研制更新?lián)Q代的新型永磁磁體和器件提供 新型材料 。 5、 多功能異質(zhì)納米復(fù)合材料的基礎(chǔ)問題研究 化學(xué)控制合成具有大聯(lián)結(jié)界面及復(fù)合磁光性質(zhì)的多功能異質(zhì)復(fù)合納米顆粒，深入理解異質(zhì)成核生長(zhǎng)機(jī)理，研究復(fù)合粒子的電、磁、光、催化等性質(zhì)，組元介質(zhì)間的相互作用、電磁傳輸，以及異質(zhì)相互作用對(duì)復(fù)合粒子整體物理性質(zhì)的影響，結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系等問題。研究交換耦合相互作用等物理現(xiàn)象， 研制 多功能納米復(fù)合材料如磁光復(fù)合材料和高性能磁性材料。 6、 制備納米復(fù)合結(jié)構(gòu)元器件的關(guān)鍵技術(shù) 采用新型納米復(fù)合磁性材料，通過微觀組 織結(jié)構(gòu)和制備工藝的優(yōu)化與控制，解決其取向成型、燒結(jié)和磁性能控制等關(guān)鍵制備技術(shù)，制備 中 小型永磁電機(jī)用 定子和轉(zhuǎn)子等磁性元器件，使其剩磁、矯頑力溫度系數(shù)和穩(wěn)定性等磁性能指標(biāo)達(dá)到或超過目前廣泛使用的傳統(tǒng)永磁器件。研制新一代 高性能整體輻向多極永磁環(huán)，有效克服目前廣泛使用拼接磁環(huán)電機(jī)磁極波動(dòng)大、效率較低的缺點(diǎn)，使其磁性性能、極間磁密均勻性和力學(xué)性能均高于目前的傳統(tǒng)永磁 器件 ，進(jìn)一步推動(dòng)永磁電機(jī)向 高穩(wěn)定性、 高效率 和 小型化方向發(fā)展。 納米復(fù)合軟磁材料 關(guān)鍵科學(xué)問題： 建立并完善新型納米顆粒、纖維增強(qiáng)以及兩者共同增強(qiáng)的軟磁 復(fù)合材料的 可控 制備技術(shù)。研究納米軟磁復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和軟磁性能相互關(guān)系。闡明 材料的 尺寸、非晶納米晶復(fù)相結(jié)構(gòu)與巨磁阻抗效應(yīng)的關(guān)系。 研究納米尺度下材料的磁導(dǎo)率、阻抗和損耗等性能參數(shù)，與化學(xué)成分、晶格結(jié)構(gòu)、磁晶各向異性常數(shù)、磁致伸縮系數(shù)、晶粒尺寸及粒度分布的關(guān)系。闡明非晶軟磁合金 的結(jié)構(gòu)演化規(guī)律、 納米晶的成核、長(zhǎng)大與穩(wěn)定機(jī)制，建立微觀結(jié)構(gòu)演化與性能之間的相互關(guān)系及其理論模型。探索提高軟磁復(fù)合材料使用性能的途徑 , 尤其是其在高溫條件下結(jié)構(gòu)和磁性能的穩(wěn)定性、材料的蠕變性能等 , 奠定軟磁復(fù)合材料器件設(shè)計(jì)和使用 的基礎(chǔ)。 主要研究?jī)?nèi)容： 1、 具有良好的室溫和高溫力學(xué)和軟磁性能的新型納米復(fù)合軟磁材料制備 建立并完善新型納米復(fù)合軟磁材料的制備技術(shù)。研究納米顆粒、纖維增強(qiáng)以及兩者共同增強(qiáng)的軟磁復(fù)合材料。研制成功具有良好的室溫和高溫力學(xué)和軟磁性能的新型納米軟磁復(fù)合材料，指標(biāo)為： 500 度下，屈服強(qiáng)度 00 磁感應(yīng)強(qiáng)度 20 5000渦流損耗 480 W/變 510h/r (550 6005000 小時(shí) )；室溫電阻率： 40 60 立軟磁 復(fù)合材料高溫性能測(cè)量方法和標(biāo)準(zhǔn)。建立微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)、工藝參數(shù)與力學(xué)和軟磁性能 (尤其是高溫性能 )的相互關(guān)系 , 探索微觀結(jié)構(gòu)對(duì)磁疇運(yùn)動(dòng)的影響，為高溫軟磁復(fù)合材料組織結(jié)構(gòu)控制、 材料設(shè)計(jì)與制備提供理論依據(jù)。研究材料微觀組織和性能高溫演變規(guī)律。建立系統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)、磁疇相互作用和性能之間定量或半定量的關(guān)系。 2、 非晶合金納米晶化及其巨磁阻抗效應(yīng) 研究 軟磁非晶合金經(jīng)晶化處理形成納米晶結(jié)構(gòu)后的軟磁性能及其巨磁阻抗效應(yīng)。優(yōu)化晶化工藝，以使納米復(fù)合材料對(duì)微弱外磁場(chǎng)（ m）有特別靈敏的響應(yīng)（靈敏度達(dá)到 ： 尖刺巨磁阻抗效應(yīng)）。根據(jù)巨磁阻抗效應(yīng)的各向異性模型，通過對(duì)系列納米晶化樣品的巨磁阻抗效應(yīng)曲線的計(jì)算機(jī)擬合，研究產(chǎn)生尖刺巨磁阻抗效應(yīng)的普適條件，建立尖刺巨磁阻抗效應(yīng)特性和退火晶化工藝間定量或半定量的關(guān)系。 3、 高飽和磁化強(qiáng)度納米軟磁合金的制備與形成機(jī)制 傳統(tǒng)納米軟磁合金納米晶形成機(jī)理在于兩個(gè)原因：（ 1）在室溫下與 素幾乎不互溶的 素起生成納米晶核的作用 ; （ 2）高熔點(diǎn)的 素則阻止了納米晶粒的長(zhǎng)大。本項(xiàng)目的新型高飽和磁化強(qiáng)度鐵基納米軟磁合金為無 料，新添加的元 素 P 的熔點(diǎn)也不高。因此，該合金無高熔點(diǎn)元素，其納米結(jié)構(gòu)的形成和晶粒生長(zhǎng)機(jī)制不同于傳統(tǒng)的納米軟磁合金。擬從解析非晶相 納米相（非晶相與納米相的含量、納米晶粒的大小等）與成分關(guān)系的基礎(chǔ)上，研究非晶合金的結(jié)構(gòu)演化規(guī)律，闡明 納米晶的成核與長(zhǎng)大機(jī)制與穩(wěn)定機(jī)制，建立相關(guān)理論模型，實(shí)現(xiàn)納米軟磁合金的組織結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸和磁性能的可控制備。 4、 納米軟磁復(fù)合材料使用性能研究及磁性器件的設(shè)計(jì) 隨著 高功率、小型化、多功能等功率發(fā)生和儲(chǔ)能技術(shù)的進(jìn)步 , 解決日益增長(zhǎng)的電功率發(fā)生、自起動(dòng)能力、高速磁軸承運(yùn)轉(zhuǎn)和機(jī)電元件 的冷卻問題變得非常嚴(yán)峻。高溫磁性材料的研發(fā)和使用 , 是實(shí)現(xiàn)上述軟磁材料高端應(yīng)用的關(guān)鍵。本項(xiàng)目擬在高溫高強(qiáng)軟磁復(fù)合材料研制的基礎(chǔ)上 , 研究材料在高溫、高應(yīng)力、輻照輻射等條件下的使用性能 , 重點(diǎn)探討材料微觀結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定性 , 及二者的相互關(guān)系。用納米軟磁復(fù)合材料設(shè)計(jì)高速電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和高速運(yùn)轉(zhuǎn)磁軸承等磁性器件，并解決磁性器件中存在的磁性材料的關(guān)鍵基礎(chǔ)性問題。 研制微小型的高靈敏度、快速響應(yīng)、高溫度穩(wěn)定性、低功耗、表面貼片元件電路的 感器。 利用 應(yīng)的頻率特性和交流數(shù)字電路研制更高靈敏度和更快響應(yīng)速度的磁 敏傳感器。研究 非晶態(tài)合金的納米晶化技術(shù)，及其寬、厚帶材的制備與成型技術(shù)，并應(yīng)用于 制造寬、厚非晶納米晶復(fù)合軟磁合金帶材，進(jìn)而研制高飽和磁化強(qiáng)度、低功耗的節(jié)能減排型變壓器鐵芯。 納米復(fù)合磁性薄膜材料 關(guān)鍵科學(xué)問題： 如何制備成功高性能的各向異性取向的納米復(fù)合永磁薄膜材料將是制備新一代的永磁材料的關(guān)鍵。在原子分子層次研究薄膜材料的沉積過程、生長(zhǎng)機(jī)制、結(jié)構(gòu)特征，力爭(zhēng)從一個(gè) 更高的層次 來理解薄膜材料在生長(zhǎng)過程中的行為。 深入 理解在納米復(fù)合永磁和軟磁材料中的磁性交換耦合效應(yīng)。研究影響沉積薄膜質(zhì)量因素，提供納米復(fù)合永 磁和軟磁薄膜制備的優(yōu)化參數(shù)組合。實(shí)現(xiàn)薄膜可控生長(zhǎng)，改善生長(zhǎng)環(huán)境和觀測(cè)環(huán)境的兼容性。研究薄膜材料尺寸的變化對(duì)材料的內(nèi)稟磁性的影響，理解材料內(nèi)稟特性在介觀尺度的行為。進(jìn)一步將磁性薄膜材料與鐵電、壓電等其它功能材料進(jìn)行納米復(fù)合，合成復(fù)合電磁多鐵性雙層或多層 薄膜 材料。將不同材料的磁性和其它物理特性在納米尺度進(jìn)行耦合，從而獲得 多鐵性等 智能型功能薄膜材料。研究在納米復(fù)合磁性薄膜材料中電、磁等各種能量之間的轉(zhuǎn)換規(guī)律。從而在納米復(fù)合磁性薄膜材料中發(fā)現(xiàn)一些新的物理現(xiàn)象。解決適用于微特電機(jī)的厚膜制備的技術(shù)難題（如應(yīng)力導(dǎo)致襯底和 薄膜剝離、薄膜彎曲等），為設(shè)計(jì)和制造高性能的新型微特電機(jī) 、垂直磁記錄介質(zhì)等 提供磁性薄膜材料基礎(chǔ)。 主要研究?jī)?nèi)容： 1、各向異性納米復(fù)合永磁薄膜材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和 可控 制備技術(shù) 在納米尺度進(jìn)行各向異性納米復(fù)合永磁薄膜材料的設(shè)計(jì)，發(fā)展設(shè)計(jì)、制備、表征各向異性納米復(fù)合永磁薄膜材料的技術(shù)，制備性能穩(wěn)定的高磁能積納米復(fù)合永磁薄膜材料。選定 復(fù)合體系，研究影響各向異性納米復(fù)合永磁薄膜的磁性能的主要因素。系統(tǒng)研究永磁薄膜的厚度、晶粒尺寸、相結(jié)構(gòu)、界面結(jié)構(gòu)等與磁性的關(guān)系。研究薄膜生 長(zhǎng)工藝、襯底材料、退火條件、防護(hù)層等對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)和磁性的影響。掌握影響各向異性納米復(fù)合永磁薄膜結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)鍵性工藝條件，如：最佳硬磁相成分、多層膜厚度和周期、襯底溫度、退火溫度和時(shí)間等。實(shí)現(xiàn)硬磁相和軟磁相的最佳磁性耦合和剩磁增強(qiáng)效應(yīng)。解決適用于微特電機(jī)的厚膜制備的技術(shù)難題（如應(yīng)力導(dǎo)致襯底和薄膜剝離、薄膜彎曲等）。 可控 制備出性能穩(wěn)定的具有國(guó)際先進(jìn)水平的各向異性取向的納米復(fù)合稀土永磁薄膜材料。為設(shè)計(jì)和制造高性能的新型微特電機(jī)提供材料基礎(chǔ)。 2、納米復(fù)合磁性薄膜材料的薄膜生長(zhǎng)機(jī)理和界面結(jié)構(gòu) 開展納米復(fù)合磁性薄膜材 料的薄膜生長(zhǎng)機(jī)理研究。控制薄膜沉積速度，很好地定義襯底的溫度、取向、形貌與粒子源的荷電、質(zhì)量數(shù)、能量分布等各種相關(guān)物理參數(shù)，建立可靠的生長(zhǎng)模式與物理?xiàng)l件間的聯(lián)系。系統(tǒng)研究薄膜與襯底的反應(yīng)、原子的吸附與去吸附、薄膜形核與成長(zhǎng)的過程等。應(yīng)用各種顯微結(jié)構(gòu)表征手段在納米原子尺度進(jìn)行界面結(jié)構(gòu)的表征和缺陷觀察。研究界面結(jié)構(gòu)對(duì)薄膜材料的生長(zhǎng)制備和性能的影響。利用電子全息研究磁疇結(jié)構(gòu)、納米耦合永磁材料中的磁耦合機(jī)理。通過截面觀察和平面觀察相結(jié)合的辦法對(duì)界面原子結(jié)構(gòu)、界面偏析進(jìn)行三維分析，將促進(jìn)對(duì)界面結(jié)構(gòu)、薄膜的生長(zhǎng)機(jī)理、磁 性能、耦合機(jī)理的理解，從而深入地揭示和深化對(duì)此類材料的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)。 3、納米復(fù)合磁性薄膜材料的磁性的尺度效應(yīng) 研究納米復(fù)合磁性薄膜材料的尺寸效應(yīng)，研究薄膜的永磁、軟磁等性能與材料的尺寸（薄膜厚度及晶粒大小）的關(guān)系。隨厚度變薄或晶粒變小，自發(fā)磁化、磁各向異性、矯頑力、相變溫度都發(fā)生變化。當(dāng)薄膜厚度（或晶粒大小）小于一臨界值時(shí)，將喪失永磁性等。研究表面的晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、磁性交換耦合、退磁場(chǎng)、界面（包括晶粒間界、薄膜與襯底界面）之間的相互關(guān)系。研究若干典型納米結(jié)構(gòu)薄膜基本磁性、電磁響應(yīng)等，建立典型納米多層膜中能 量轉(zhuǎn)化的微觀物理模型。系統(tǒng)地研究磁性薄膜材料的相組成、相結(jié)構(gòu)、相轉(zhuǎn)變與磁性能的關(guān)系，以及納米復(fù)合機(jī)制和矯頑力機(jī)制等，深入理解物質(zhì)在介觀尺度的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和基本磁性。 4、納米復(fù)合磁性薄膜材料的磁性交換耦合效應(yīng) 從一個(gè)統(tǒng)一的角度來理解在納米復(fù)合永磁和軟磁材料中的磁性交換耦合效應(yīng)。系統(tǒng)地研究納米復(fù)合磁性薄膜材料在低維條件下的納米復(fù)合特性，研究相成分、相組成、晶粒尺寸、疇結(jié)構(gòu)等對(duì)納米復(fù)合機(jī)制的影響。系統(tǒng)地研究磁性薄膜材料的磁性交換耦合機(jī)制，進(jìn)一步發(fā)展磁性交換耦合理論及模型。用 1： 5、 1：7、 2： 14： 1 等鐵磁層與 氧化物反鐵磁層 (或非磁層 )組成不同結(jié)構(gòu)的磁性多層膜。研究磁晶各向異性的改變和層間交換耦合的關(guān)系。研究亞鐵磁體 氧體等與 鐵磁層組成的多層膜中各向異性的改變對(duì)層間交換耦合、磁性與電性 能 的影響。研究磁性各向異性對(duì)納米尺度磁性交換耦合長(zhǎng)度的關(guān)聯(lián)、不同相分布的逾滲效應(yīng)對(duì)磁性納米復(fù)合的影響、量子阱效應(yīng)和磁性交換耦合的關(guān)聯(lián)等。提出與磁晶各向異性有關(guān)的鐵磁與鐵磁、鐵磁與反鐵層（或亞鐵磁層）交換耦合統(tǒng)一的理論模型。 5、磁性薄膜材料與鐵電、壓電等其它功能材料的納米復(fù)合 將磁性 薄膜材料與鐵電、壓電等其它功能材料進(jìn)行納米復(fù)合。合成復(fù)合電磁多鐵性雙層或多層 薄膜 材料，將不同材料的磁性和其它物理特性在納米尺度進(jìn)行耦合，從而獲得 多鐵性等 智能型功能薄膜材料。使磁性薄膜材料 具有 鐵磁、鐵電材料的雙重屬性， 耦合鐵磁和鐵電的序參數(shù) 。 研究生長(zhǎng)條件對(duì) 材料結(jié)構(gòu)的影響。調(diào)節(jié)鐵電薄膜的生長(zhǎng)條件、晶體取向。改變鐵磁、 鐵電 薄膜的厚度來研究鐵磁和鐵電薄膜的界面應(yīng)力、界面粗糙度、界面缺陷、界面離子價(jià)態(tài)的變化、鐵電薄膜的電場(chǎng)效應(yīng)對(duì)鐵磁薄膜的磁相變、磁晶各向異性、相分離和磁輸運(yùn)的影響。通過對(duì)鐵磁薄膜進(jìn)行霍耳效應(yīng)的測(cè)量來確 定由鐵電薄膜的電極化的變化導(dǎo)致的界面電荷的轉(zhuǎn)移。研究鐵電薄膜的場(chǎng)效應(yīng)、鐵磁和鐵電薄膜的界面、 量子尺寸效應(yīng) 對(duì)鐵磁薄膜磁相變、磁晶各向異性、相分離和磁輸運(yùn)的影響。 理清界面效應(yīng)、場(chǎng)效應(yīng)、尺寸效應(yīng) 影響的 機(jī)制以及它們之間的關(guān)系。為設(shè)計(jì)和制造的新型電磁能量轉(zhuǎn)換器件提供材料基礎(chǔ)。 納米復(fù)合磁性材料的腐蝕規(guī)律與防護(hù)技術(shù) 關(guān)鍵科學(xué)問題： 在理論方面揭示納米復(fù)合磁性材料 在使役環(huán)境中 的腐蝕規(guī)律，提出適用于納米復(fù)合磁性材料的腐蝕理論。建立納米復(fù)合磁性材料表面防護(hù)涂層制備的技術(shù)體系，并給出綜合性能優(yōu)化模型。闡明納米復(fù)合磁性材料表面 電沉積或脈沖電沉積的性能優(yōu)化控制機(jī)制，消除陰極析氫作用。新型納米復(fù)合磁性材料以及施加表面防護(hù)涂層后在我國(guó)幾種典型大氣環(huán)境中的腐蝕規(guī)律以及高溫氧化行為和腐蝕規(guī)律。 納米復(fù)合磁性材料的界面結(jié)構(gòu)以及其與防護(hù)涂層的界面結(jié)構(gòu)對(duì)抗腐蝕性、抗氧化性 、熱穩(wěn)定性等 使役行為 的影響。 主要研究?jī)?nèi)容： 1、新型納米復(fù)合磁性材料在我國(guó)幾種典型大氣環(huán)境中的腐蝕規(guī)律 側(cè)重探討目前最有前景的納米復(fù)合磁性材料（如 米復(fù)合軟磁鐵氧體等）以及本項(xiàng)目研制的新型納米復(fù)合磁性材料在幾種典型大氣環(huán)境中的腐蝕失效機(jī)制，典型環(huán)境以侵 蝕性較強(qiáng)的污染工業(yè)大氣、高濕高熱的海洋大氣為主，探討不同 使役 環(huán)境中材料的腐蝕演化規(guī)律，確定影響腐蝕演化進(jìn)程的關(guān)鍵因素，找出反映腐蝕進(jìn)程的關(guān)鍵參數(shù)，為材料腐蝕失效的實(shí)時(shí)監(jiān)、檢測(cè)提供必要的理論依據(jù)。 2、新型高溫磁性材料的高溫氧化行為、腐蝕規(guī)律 新型高溫納米復(fù)合磁性材料的高溫氧化行為的研究。研究使役溫度從 300度 的新型納米復(fù)合軟磁、永磁材料的高溫氧化行為。研究新型高溫納米復(fù)合磁性材料在高溫條件下的化學(xué)穩(wěn)定性、反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)參數(shù)、反應(yīng)過程控制參數(shù)、反應(yīng)過程后的組分構(gòu)成和相結(jié)構(gòu)特征。 3、 o,u,Zr)術(shù) 研究 從化學(xué)穩(wěn)定性的角度，研究高溫環(huán)境與 o,u,Zr)究在長(zhǎng)期的高溫環(huán)境下， o,u,Zr)示材料的 “腐蝕行為磁性退化 ”之間的內(nèi)在聯(lián)系 。 設(shè)計(jì)和制備性能優(yōu)異 的專門用于 o,u,Zr)膜即具有耐高溫特性，又能與基體材料緊密的結(jié)合，最終使 o,u,Zr) 環(huán)境中 。 4、新型納米復(fù)合磁性薄膜材 料的防護(hù)技術(shù) 研究 針對(duì)典型的新型納米復(fù)合磁性薄膜材料進(jìn)行梯度化學(xué)沉積、脈沖電沉積、納米共電沉積、離子鍍研究?？疾焐鲜龇椒安煌に噮?shù)條件下制備的 、 以及 米晶膜 和 納米晶 米粒子復(fù)合膜等的組成、結(jié)構(gòu)和膜厚等相關(guān)參數(shù)對(duì)膜的結(jié)合強(qiáng)度 、 腐蝕行為以及磁性能的影響規(guī)律；為 研制 在特定使役環(huán)境下具有強(qiáng)結(jié)合力 、 最佳耐蝕性能和對(duì)磁性影響最不明顯的新型納米復(fù)合磁性薄膜材料的防護(hù)涂層提供實(shí)驗(yàn)和理論證據(jù)。 5、納米復(fù)合磁性材料的界面結(jié)構(gòu)對(duì)抗腐蝕性、抗氧化性的影響 抓住納米復(fù)合磁性材料的界面結(jié)構(gòu)這一環(huán)節(jié)，利用先進(jìn)顯微技術(shù)表征功能薄膜材料的界面結(jié)構(gòu)，包括襯底 /薄膜、薄膜 /薄膜、薄膜 /保護(hù)膜、薄膜 /真空等界面及表面的結(jié)構(gòu)和形貌特征。研究納米復(fù)合磁性材料中的顯微結(jié)構(gòu)與缺陷、界面結(jié)構(gòu)對(duì)抗腐蝕性、抗氧化性等各種 使役 特性的影響，分析歸納微結(jié)構(gòu)、界面結(jié)構(gòu)與材料組分及抗腐蝕性、抗氧化性的關(guān)系的規(guī)律。研究復(fù)合磁性材料防護(hù)涂層的界面結(jié)構(gòu)對(duì)涂層的結(jié)合強(qiáng)度和腐蝕性能的 影響 。 二、預(yù)期目標(biāo) 總體目標(biāo) 本項(xiàng)目集中國(guó)內(nèi)在納米復(fù)合磁性材料制備、表征與性能研究方面的優(yōu)勢(shì)力量，經(jīng)過 5 年的努力，研 究納米復(fù)合磁性材料的 可控 制備過程、生長(zhǎng)機(jī)制、結(jié)構(gòu)特征、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和尺寸效應(yīng)，從一個(gè) 較為 統(tǒng)一的角度來理解納米復(fù)合磁性材料的行為規(guī)律。建立一個(gè)磁性基礎(chǔ)理論來解釋納米復(fù)合磁性材料中磁性耦合現(xiàn)象從微觀、介觀到宏觀的關(guān)聯(lián)，并適用于納米復(fù)合永磁及軟磁材料，為納米復(fù)合磁性材料的設(shè)計(jì)、制備及其實(shí)用化提供科學(xué)依據(jù)。在納米復(fù)合磁性材料的 納米結(jié)構(gòu)的可控 制備、表征和性能的研究及技術(shù)方面做出重要?jiǎng)?chuàng)新，研制出擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能納米復(fù)合磁性材料及器件。建立納米復(fù)合磁性材料及器件的科學(xué)研究基地，建立和完善納米復(fù)合磁性材料制備、表征和 性能、 服役行為以及 防護(hù)研究的知識(shí)體系，并 研制 出具有實(shí)用性的納米復(fù)合磁性元器件，為我國(guó)大規(guī)模應(yīng)用納米復(fù)合磁性材料奠定基礎(chǔ)，指導(dǎo)二十一世紀(jì)磁性材料的應(yīng)用實(shí)踐。 五年目標(biāo) 探索制備納米復(fù)合永磁及軟磁材料的新工藝，解決納米復(fù)合磁性材料制備的穩(wěn)定性問題。發(fā)展表征納米復(fù)合磁性材料相結(jié)構(gòu)、表面和界面結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)觀察新方法，研究納米復(fù)合磁性材料性能與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，解決納米復(fù)合磁性材料的 可控 制備、表征和應(yīng)用中的生長(zhǎng)機(jī)制以及條件、界面結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系等一些重大基礎(chǔ)問題， 闡明 納米晶的成核與長(zhǎng)大機(jī)制與穩(wěn)定機(jī)制，建立相關(guān)理論模型， 實(shí)現(xiàn)納米復(fù)合結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸和磁性能的可控制備。探索新型納米復(fù)合永磁材料的取向成型、燒結(jié)和磁性能控制等關(guān)鍵制備技術(shù)。為制備高性能的納米復(fù)合磁性材料提供理論指導(dǎo)。 研究納米復(fù)合永磁及軟磁薄膜材料的制備過程、生長(zhǎng)機(jī)制等。系統(tǒng)研究各種工藝參數(shù)對(duì)薄膜摩爾組分、均勻性和生長(zhǎng)率的影響，為制備高品質(zhì)的功能薄膜材料奠定理論基礎(chǔ)。 研究和總結(jié)納米復(fù)合磁性材料的磁性隨尺寸變化的規(guī)律，揭示納米復(fù)合磁性材料本征特性的尺寸效應(yīng)的本質(zhì)。建立一個(gè)基本電磁理論解釋納米復(fù)合磁性材料中磁性耦合現(xiàn)象從微觀、介觀到宏觀的關(guān)聯(lián)，并適用于納米復(fù)合永磁及軟磁材料，為納米復(fù)合磁性材料的設(shè)計(jì)、制備及其實(shí)用化提供堅(jiān)實(shí)的科學(xué)依據(jù)。 研究納米復(fù)合磁性材料的抗氧化性、抗腐蝕性和功能退化、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和性能可靠性 等 服役行為 ，發(fā)展有關(guān)的防護(hù)技術(shù)，為制備結(jié)構(gòu)和性能可靠的高性能納米復(fù)合磁性材料提供技術(shù)支持。 通過 材料的成分設(shè)計(jì)和優(yōu)化， 研制出擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的納米復(fù)合永磁及軟磁材料。新型納米塊體軟磁材料。 合成具有優(yōu)異軟磁性能的、用于 磁敏傳感器芯體的 新型 非晶納米晶 復(fù)合 合金。 設(shè)計(jì)并制備出 4具有重要應(yīng)用前景 的納米復(fù)合磁性材料器件。對(duì)其使用性能 和 服役行為 進(jìn)行綜合測(cè)試和分析。探索制備實(shí)用性高頻開關(guān)電源主變壓器用軟磁器件、高速電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和高速運(yùn)轉(zhuǎn)磁軸承、 磁敏傳感器芯體 等。在國(guó)際學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表高水平 錄論文 200 篇以上，申請(qǐng)發(fā)明專利 20 項(xiàng)以上。 培養(yǎng)中青年學(xué)術(shù)帶頭人 10，在國(guó)際上有一定影響的知名專家 3，建立若干達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的納米復(fù)合磁性材料研究基地。 三、研究方案 高性能納米復(fù)合磁性材料 和相關(guān)器件 的制備是本項(xiàng)目研究和應(yīng)用的基礎(chǔ)。本項(xiàng)目針對(duì) 納米復(fù)合磁性材料在電子、電工等領(lǐng)域應(yīng)用 存在的基礎(chǔ)性問題開展研究。 納米復(fù)合磁性材料中納米晶體在不同條件下的生長(zhǎng)機(jī)制研究是在納米尺度設(shè)計(jì)和制備相關(guān)材料的關(guān)鍵性問題。對(duì)材料的相結(jié)構(gòu)、界面結(jié)構(gòu)的表征是發(fā)展高性能納米復(fù)合磁性材料的關(guān)鍵之一。對(duì)不同納米結(jié)構(gòu)的復(fù)合磁性材料中的磁性交換耦合的深入理解也是獲得高性能納米復(fù)合磁性材料以及薄膜的關(guān)鍵。研究高性能納米復(fù)合磁性材料的結(jié)構(gòu)和抗氧化性、抗腐蝕性的關(guān)系對(duì)在電子、電工等領(lǐng)域應(yīng)用相關(guān)材料 和器件 有非常重要意義。本項(xiàng)目圍繞上述四個(gè)方面的基礎(chǔ)性問題設(shè)立課題，開展相關(guān)研究工作，可望在這 四個(gè)方面的基礎(chǔ)研究同時(shí)取得突破，使其能迅速走向?qū)嵱没?duì)于上述四個(gè)關(guān)鍵性問題，將項(xiàng)目分解為四個(gè)研究課題。課題一和課題二分別致力于發(fā)展新型高性能的納米復(fù)合永磁和軟磁材料。課題三集中于制備和表征納米復(fù)合磁性薄膜材料。通過課題一、課題二和課題三對(duì)生長(zhǎng)機(jī)制、結(jié)構(gòu)表征、磁性交換耦合的共同研究，從一個(gè)統(tǒng)一的角度來理解納米復(fù)合磁性材料的行為規(guī)律。課題一、課題二和課題三 還用獲得的高性能磁性材料設(shè)計(jì)和制備具有應(yīng)用前景的器件。 課題四研究各課題共同關(guān)心的納米復(fù)合磁性材料在電子、電工等領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用方面的抗氧化性、抗腐蝕性 等 關(guān)鍵性 服 役行為 問題。本項(xiàng)目以基礎(chǔ)研究為前導(dǎo)，結(jié)合我國(guó)資源特點(diǎn)和應(yīng)用的需求，研究宏觀磁性和微觀結(jié)構(gòu)的聯(lián)系，以期探索新材料、揭示新現(xiàn)象、開發(fā)新應(yīng)用。與各課題相關(guān)的研究方案和技術(shù)途徑 分解如下： 2. 技術(shù)途徑： 納米復(fù)合永磁材料 本課題任務(wù)之一是探索能夠?qū)崿F(xiàn)納米耦合的高矯頑力和高磁能積的硬磁新相和高飽和磁化強(qiáng)度的軟磁新相。利用 納米耦合和 間隙原子效應(yīng)調(diào)節(jié)和改變材料的交換作用強(qiáng)度、磁晶各向異性、飽和磁化強(qiáng)度，從理論和實(shí)驗(yàn)相互結(jié)合上開展交換彈性耦合效應(yīng)及 間隙原子效應(yīng)研究，包括電子能帶結(jié)構(gòu)、晶場(chǎng)作用計(jì)算，為有效地調(diào)控材料的內(nèi) 稟磁性提供依據(jù)，建立易于實(shí)現(xiàn)納米耦合和高矯頑力的條件。 解決問題的方式在于新的思維、新的工藝。除了采用快淬、 多種實(shí)驗(yàn)手段探索適宜 可控 制備納米結(jié)構(gòu)材料的方法外，本課題任務(wù)之二是嘗試化學(xué)相分離法制備的可能性。 特別是重視發(fā)展以 學(xué)過程 +快速燒結(jié) 為主導(dǎo)的技術(shù)路線，力爭(zhēng)突破制備高性能的各向異性納米復(fù)合永磁材料的技術(shù)瓶頸。 制備過程中出現(xiàn)新型亞穩(wěn)相往往會(huì)對(duì)材料的磁性能產(chǎn)生顯著的影響。系統(tǒng)地研究納米復(fù)合永磁材料中的平衡相及亞穩(wěn)相的相結(jié)構(gòu)、形成條件和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。用 學(xué)過程 制備 各向 異性生長(zhǎng)的 納米復(fù)合永磁體，其最大的優(yōu)點(diǎn)在于納米顆粒分布均勻、相分布有序并形成最佳的磁疇結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)相內(nèi)、相間的交換耦合作用。 通過成分設(shè)計(jì)、原子比、電負(fù)性和溫度的影響來研究亞穩(wěn)相形成的可能性，解決 納米復(fù)合 永磁合金的穩(wěn)定性問題。 控制納米復(fù)合永磁材料的晶粒尺寸和微觀結(jié)構(gòu) , 得到最佳永磁性能的材料，研究其最佳磁性作用機(jī)制，確定 相交換耦合結(jié)構(gòu)的形成條件 。 首先從實(shí)驗(yàn)測(cè)定的總交互作用中分離出對(duì)磁化過程直接相關(guān)的短程交換和長(zhǎng)程磁偶極交互作用。然后 研究納米復(fù)合永磁材料中各相的晶粒微觀組織結(jié)構(gòu)、大小及分布，建立微觀結(jié)構(gòu)與磁性能 關(guān)系的理論模型。 從理論上分析不同結(jié)構(gòu)的 納米復(fù)合磁性材料 中導(dǎo)致磁性耦合的臨界尺寸與微觀結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)和改變材料的交換作用強(qiáng)度、磁晶各向異性、飽和磁化強(qiáng)度，建立實(shí)現(xiàn)納米耦合的條件。研究磁性與原子占位、點(diǎn)陣畸變、磁性原子間的耦合，特別是在相界處耦合作用的關(guān)聯(lián)性，該方法是本研究的創(chuàng)新點(diǎn)之一。 本課題的任務(wù)之 三 是在上述 研究基礎(chǔ)上 研制具有實(shí)用性的永磁元器件。 通過微觀組織結(jié)構(gòu)和制備工藝的優(yōu)化與控制，解決其取向成型、燒結(jié)和磁性能控制等關(guān)鍵制備技術(shù) ，探索元器件制備、加工對(duì)材料微觀組織結(jié)構(gòu)與性能的影響規(guī)律，掌握元器件制備的關(guān)鍵技術(shù) 及其與材料制備和性能之間的相互關(guān)系，制備具有實(shí)用性的新型永磁元器件。 納米復(fù)合軟磁材料 本課題任務(wù)之一是制備高性能的高溫納米軟磁復(fù)合材料。為使之同時(shí)具備優(yōu)良的力學(xué)性能和軟磁性能，采用一系列新制備工藝： 1. 采用化學(xué)還原法和離心霧化法制備 =過渡族金屬 )和 子； 粒子表面均勻 化物層； 有氧化物的 磁性粒子壓制成高密度納米顆粒軟磁復(fù)合體； W、 B 和 C 等連續(xù)纖維表面沉積 層。 求飽和磁化強(qiáng)度高于 金的間隙型軟磁材料。涂層材料的選擇基于以下考慮 : (1) 素與 素互不相溶。采用 層可減少復(fù)合材料界面反應(yīng)； (2) 金形成矯頑力更低的軟磁材料； 納米粒子 (無氧化物覆層 )與連續(xù)纖維制備成纖維增強(qiáng)軟磁復(fù)合材料； 6. 將 納米粒子 (有氧化物覆層 )與連續(xù)纖維制備成纖維增強(qiáng)軟磁復(fù)合材料。上述方法制備的 納米軟磁復(fù)合材料具有良好的軟 磁性能、力學(xué)性能、微觀組織溫度穩(wěn)定性、高頻磁性能。探索、發(fā)現(xiàn)新型高飽和磁化強(qiáng)度鐵基軟磁材料，并研究其 納米晶粒的生成機(jī)理及穩(wěn)定機(jī)制， 及由此帶來優(yōu)異軟磁性能的原因。 本課題任務(wù)之二為：（ 1）研制微小型的高靈敏度、快速響應(yīng)、高溫度穩(wěn)定性、低功耗、表面貼片元件電路的 感器。研究能最大發(fā)揮 非晶納米晶復(fù)合軟磁材料最高靈敏度的電路。（ 2） 研究 非晶態(tài)合金的納米晶化技術(shù)，及其寬、厚帶材的制備與成型技術(shù)，并應(yīng)用于 制造寬、厚非晶納米晶復(fù)合軟磁合金帶材，進(jìn)而研制高飽和磁化強(qiáng)度、低功耗的節(jié)能減排型變壓器鐵芯。 （ 3）設(shè)計(jì)并制造可在高溫下使用納米軟磁復(fù)合材料的器件 , 初步定為高速電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和高速磁性軸承。 研究?jī)?nèi)容為材料微觀組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、軟磁性能以及高溫性能演變規(guī)律及相互關(guān)系的研究。采用 子衍射等研究 軟磁材料、納米軟磁合金 的 組織結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)軟磁和力學(xué)性能的影響。測(cè)量高溫下軟磁復(fù)合材料的性能變化 , 建立微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能的相互關(guān)系。探索微觀結(jié)構(gòu)對(duì)磁疇運(yùn)動(dòng)、矯頑力的影響 , 特別是界面結(jié)構(gòu)對(duì)磁疇壁的釘扎作用。建立系統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能之間定量或半定量的關(guān)系。設(shè)計(jì)并制備 B 和 C 纖維增強(qiáng) 寸 納米軟磁材料 , 發(fā)展納米材料制備新技術(shù)。本課題的另一個(gè)特點(diǎn)是 米顆粒氧化物涂層的引入，會(huì)同時(shí)提高材料的力學(xué)性能、軟磁性能和溫度穩(wěn)定性，得到結(jié)構(gòu)功能一體化的新材料及具有實(shí)用性的高飽和磁化強(qiáng)度 軟磁納米合金，豐富納米復(fù)合材料體系和制備技術(shù)。研究納米軟磁復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)和使用性能的相互關(guān)系 , 尤其是改材料在高溫、高應(yīng)力、輻照輻射條件微觀組織和性能的演變規(guī)律。 納米復(fù)合磁性薄膜材料 采用磁控濺射方法 可控 制備磁性多層膜體系，用 射電子顯微鏡及能譜分析等 方法研究材料相組成、成分、結(jié)構(gòu)形貌、顆粒及晶粒尺寸分布、平均晶粒尺寸等。用磁力顯微鏡觀察薄膜的磁疇結(jié)構(gòu)，用 強(qiáng)計(jì)測(cè)量薄膜樣品的磁性，用四點(diǎn)法測(cè)量薄膜樣品的電性。選用單晶硅或耐高溫的陶瓷玻璃作為襯底，用鈦、鉬等純金屬作為緩沖層和保護(hù)層；采用熔煉及傳統(tǒng)的粉末冶金法制備出所需永磁合金靶材，采用高純度的 的氧化物反 鐵磁靶；采用磁控濺射方法，采用不同襯底加熱溫度或?qū)⒂泊畔嗷蜍洿畔嗯c 反 鐵磁層按一定的厚度和層數(shù)直接構(gòu)成多層膜，再通 過控制適當(dāng)溫度和時(shí)間的真空退火處理?xiàng)l件得到硬磁和反鐵磁層組成的磁性多層膜體系。 本項(xiàng)目的主要技術(shù)創(chuàng)新就是，通過可控制備技術(shù)制備具有各向異性生長(zhǎng)的納米復(fù)合永磁薄膜，突破制備高性能的磁性薄膜材料的技術(shù)瓶頸。 薄膜生長(zhǎng)機(jī)制的研究是一項(xiàng)富有挑戰(zhàn)性的工作。不同的薄膜材料通過不同的生長(zhǎng)方法在不同襯底上實(shí)現(xiàn)可控生長(zhǎng)，影響因素和其所涉及的有關(guān)原子過程是多樣的。大致的研究方案為： 建構(gòu)簡(jiǎn)單的原子模型，結(jié)合第一性原理計(jì)算，研究界面相結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，理解生長(zhǎng)初期相選擇機(jī)制，研究薄膜制備過程。用 究生長(zhǎng)初期的形核過程，用高分辨 透射電子顯微鏡 (取形核面、界面的高分辨相來研究生長(zhǎng)初期結(jié)構(gòu)的演化，結(jié)合原子模型推測(cè)其生長(zhǎng)機(jī)理。研究生長(zhǎng)參數(shù)對(duì)材料的結(jié)構(gòu)、與襯底的結(jié)合強(qiáng)度、表面形貌的影響。發(fā)展表面表征、結(jié)構(gòu)表征及納米原子尺度成分分析研究相結(jié)合的技術(shù)，利用 子分辨的掃描隧道顯微鏡 (原子力 /磁力顯微鏡 (表征薄膜材料的顯微結(jié)構(gòu)、界面結(jié)構(gòu)、缺陷、磁疇結(jié)構(gòu)等。從微觀結(jié)構(gòu)的角度研究能量轉(zhuǎn)換物理機(jī)制。將微結(jié)構(gòu)表征與物理性能相結(jié)合，深入地揭示和深化對(duì)此類材料的系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。研究納米復(fù)合磁性薄膜材料具有好性 能和最佳交換耦合的原因，從而對(duì)原有材料進(jìn)行改性和探索新薄膜材料。對(duì)薄膜材料微結(jié)構(gòu)、組分、界面結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系開展較為深入的研究，抓住微結(jié)構(gòu)這一環(huán)節(jié)，易于發(fā)現(xiàn)材料中存在的一些本質(zhì)現(xiàn)象。 納米復(fù)合磁性材料的腐蝕與防護(hù) 磁性材料 在 使役環(huán)境 中的 腐蝕 （氧化）是不可逆轉(zhuǎn)的 的 化學(xué)反應(yīng)過程 。 在自然環(huán)境中，雙相（或多相） 納米復(fù)合磁性 薄膜或塊體 材料 因 化學(xué)性質(zhì)不同 的異相物質(zhì)存在 ，勢(shì)必帶來材料電化學(xué)性質(zhì)的 差異 ，進(jìn)而引入了誘發(fā)和加速腐蝕的因素。為此， 從化學(xué)穩(wěn)定性的角度考慮， 研究雙相（或多相） 納米薄膜 和塊體 材料 中局部非均勻腐蝕行為。 重 點(diǎn)研究材料的初始反應(yīng)規(guī)律，探討誘發(fā)腐蝕的關(guān)鍵因素 ，分析腐蝕對(duì) 材料磁性 造成的 損傷 程度，探索腐蝕控制的新途徑 。 研究在特定的高溫環(huán)境中， 納米復(fù)合磁性材料 的化學(xué)穩(wěn)定性 、 熱穩(wěn)定性和磁性之間的內(nèi)在聯(lián)系。重點(diǎn)研究塊體 材料表面 氧化物膜的熱生長(zhǎng)機(jī)制， 形成的氧化物 膜的性質(zhì)，如致密性、完整性和 粘附性以及 對(duì)后期腐蝕的抑制作用，探 求 影響氧化物膜性能的關(guān)鍵因素 ，揭示材料的磁性隨氧化物膜的形成的變化規(guī)律，設(shè)計(jì)專門的的 防護(hù)涂層 并對(duì)涂層氧化 行為進(jìn)行評(píng)估。 用薄液膜環(huán)境下材料腐蝕的電化學(xué)測(cè)量方法，如交流阻抗技術(shù)，評(píng)價(jià)薄膜磁性薄膜 或塊體 材料的 耐蝕性； 用 典型模擬大氣腐蝕行為進(jìn)行原位觀察，觀察氧化膜的生長(zhǎng)規(guī)律，分析 材料異相間的 腐蝕行為的差異及相互作用；用 析磁性材料在高溫環(huán)境下的氧化物膜的熱生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)；用 納米磁性材料的熱穩(wěn)定性（晶粒長(zhǎng)大 、 相轉(zhuǎn)變等）進(jìn)行分析； 用 分析技術(shù) 對(duì)磁性材料的腐蝕 (氧化 )產(chǎn)物膜進(jìn)行表征；用 技術(shù)對(duì)腐蝕（氧化）產(chǎn)物膜，以及膜 磁性材料界面進(jìn)行微觀觀測(cè)。 3. 項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)和特色 本項(xiàng)目的特色主要概括為一個(gè)理論基礎(chǔ) 、 三個(gè)規(guī)律、幾個(gè)關(guān)鍵材料和器件及其制備科學(xué)和一個(gè)體系。建 立一個(gè)電磁基本理論來解釋納米復(fù)合磁性材料中磁性交換耦合現(xiàn)象從微觀、介觀到宏觀的關(guān)聯(lián)，使理論適用于不同結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合永磁和軟磁材料。在原子分子層次研究納米復(fù)合磁性薄膜材料的沉積過程、生長(zhǎng)機(jī)制等規(guī)律，為 可控 制備高品質(zhì)的功能薄膜材料奠定理論基礎(chǔ)。表征納米復(fù)合磁性材料相結(jié)構(gòu)、表面結(jié)構(gòu)、界面結(jié)構(gòu)，總結(jié)材料結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系的規(guī)律。研究和總結(jié)納米復(fù)合磁性材料的磁性以及其它物理特性隨尺寸變化的規(guī)律，揭示納米復(fù)合磁性材料本征特性的尺寸效應(yīng)的本質(zhì)。制備納米復(fù)合永磁和軟磁等數(shù)種關(guān)鍵功能材料以及薄膜，并致力于將上述納米復(fù)合磁性材 料設(shè)計(jì)和制備成功元器件。建立我國(guó)納米復(fù)合磁性材料制備、表征、性能和器件研究體系。 本項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)有： 1) 從一個(gè) 比較 統(tǒng)一的角度來理解納米復(fù)合磁性材料的行為規(guī)律，建立適用于不同納米結(jié)構(gòu)的復(fù)合磁性材料中磁性交換耦合現(xiàn)象從微觀、介觀到宏觀關(guān)聯(lián)的基本理論； 2) 從實(shí)驗(yàn)方面調(diào)節(jié)和改變材料的交換作用強(qiáng)度、磁晶各向異性、飽和磁化強(qiáng)度，探索滿足實(shí)現(xiàn)納米耦合的硬磁新相和軟磁新相； 3)研究新型納米顆粒、纖維增強(qiáng)以及兩者共同增強(qiáng)的具有良好的室溫和高溫力學(xué)和軟磁性能的軟磁復(fù)合材料； 4) 探索新型 納米軟磁材料的微觀組織結(jié)構(gòu)的形 成和納米晶粒生長(zhǎng)與控制機(jī)制，實(shí)現(xiàn)納米軟磁合金的組織結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸和磁性能的可控制備。 5) 在納米尺度進(jìn)行各向異性納米復(fù)合永磁薄膜材料的設(shè)計(jì)，發(fā)展設(shè)計(jì)、制備、表征各向異性納米復(fù)合永磁薄膜材料的技術(shù)； 6) 將根據(jù)各種磁性材料對(duì)化學(xué)穩(wěn)定性的不同要求，采取不同的研究方法， 研究納米復(fù)合磁性材料的界面結(jié)構(gòu)對(duì)高溫抗腐蝕性、抗氧化性 等 服役行為 的影響。 7)設(shè)計(jì)并制備出 4具有重要應(yīng)用前景的納米復(fù)合磁性材料器件 ，包括 高速 永磁 電機(jī)轉(zhuǎn)子 和定子、整體輻向 多極 永磁 環(huán) 、 高速運(yùn)轉(zhuǎn)磁軸承、實(shí)用性高頻開關(guān)電源主變壓器用軟磁器件、 磁敏傳感器 芯體 。 4. 研究方案的可行性分析 本項(xiàng)目研究方案建立在各單位前期研究成果上，并有理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)?；谝韵吕碛?，我們認(rèn)為本項(xiàng)目是完全可行的： 納米復(fù)合磁性材料領(lǐng)域是國(guó)際學(xué)術(shù)發(fā)展的活躍方向，我國(guó)已經(jīng)有很好的工作基礎(chǔ)和研究積累，與發(fā)達(dá)國(guó)家差距不大， 項(xiàng)目承擔(dān) 單位一直活躍國(guó)際學(xué)術(shù)前沿，在納米復(fù)合磁性材料 、 功能薄膜材料的制備、表征和性能及器件研究方面與國(guó)際基本同步。 承擔(dān)單位由多個(gè)部門的優(yōu)勢(shì)單位組合，在相關(guān)的各研究領(lǐng)域各有所長(zhǎng)，通過本項(xiàng)目結(jié)成強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，針對(duì)本研究領(lǐng)域的關(guān)鍵性問題開展合作研 究，可以在數(shù) 個(gè) 方面突破 本領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸 。 承擔(dān)單位有較好的科研條件、較強(qiáng)的研究設(shè)備和分析儀器，是我國(guó)在納米復(fù)合磁性材料及器件領(lǐng)域的基地型研究單位，能有效地開展工作。 研究方向和課題設(shè)置合理，開展的研究問題都是本領(lǐng)域的重要關(guān)鍵問題，研究方案可行，研究路線正確。 在 學(xué)過程 可控制備各向異性納米復(fù)合磁性材料、磁控濺射法可控制備各向異性納米復(fù)合磁性薄膜材料、納米復(fù)合磁性材料的服役行為等研究方面均有技術(shù)創(chuàng)新以及技術(shù)儲(chǔ)備。 研究隊(duì)伍由老中青結(jié)合，由富有創(chuàng)新意識(shí)的中青年學(xué)術(shù)帶頭人擔(dān)任課題 負(fù)責(zé)人，并注意到不同學(xué)科的結(jié)合和交叉，有利于創(chuàng)建新的生長(zhǎng)點(diǎn)。 項(xiàng)目首席科學(xué)家張志東研究員已在納米復(fù)合磁性材料領(lǐng)域做出較高學(xué)術(shù)水平的工作，具有開拓創(chuàng)新意識(shí)，有較強(qiáng)的組織協(xié)調(diào)能力，能夠領(lǐng)導(dǎo)、組織各方面的力量完成本項(xiàng)目。 5. 項(xiàng)目的組織方式 項(xiàng)目實(shí)行首席科學(xué)家和課題負(fù)責(zé)人分級(jí)負(fù)責(zé)制。成立由不同層次科技人員和管理專家參加的項(xiàng)目理事會(huì)，負(fù)責(zé)課題、人員的評(píng)審和篩選以及項(xiàng)目執(zhí)行情況的檢查工作；聘請(qǐng)國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界和國(guó)外相關(guān)專家組成評(píng)估委員會(huì)，負(fù)責(zé)研究成果的評(píng)估和鑒定工作。將每年至少召開一次全國(guó)性學(xué)術(shù)研討會(huì)，促 進(jìn)國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)交流，推動(dòng)我國(guó)納米復(fù)合磁性材料 和器件的 研究向深層次發(fā)展。嚴(yán)格按照科技部的有關(guān)規(guī)定實(shí)施。 四、年度計(jì)劃 第一年： 文獻(xiàn)調(diào)研，實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備工作。 可控合成各向異性磁性納米復(fù)合顆粒，包括硬磁材料 軟磁材料 其氧化物等納米晶體。探索合成 制備 磁性納米顆粒、氧化物涂層、 究顆粒尺寸、化學(xué)成分、相組成、晶粒尺寸、疇結(jié)構(gòu)等軟磁和力學(xué)性能的影響。 發(fā)展在納米尺度設(shè)計(jì)納米復(fù)合磁性材料以 及薄膜材料的微觀結(jié)構(gòu)和功能特性的技術(shù)，研究制備納米復(fù)合磁性材料的工藝過程。 觀測(cè) 納米復(fù)合磁性材料如 幾種典型大氣中 服役 的腐蝕演化規(guī)律，確定影響腐蝕演化進(jìn)程的關(guān)鍵因素。 第二年： 理論計(jì)算不同材料的電子能帶結(jié)構(gòu)、晶場(chǎng)作用 影響 ，為有效調(diào)控材料的內(nèi)稟磁性提供依據(jù)。研究合金非平衡凝固過程的 相形成規(guī)律 及結(jié)晶過程中的晶體學(xué)生長(zhǎng)特征。研究納米晶的生長(zhǎng)機(jī)制、結(jié)構(gòu)特征、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和性能可靠性， 深入理解納米復(fù)合磁性材料的納米晶在生長(zhǎng)過程中的行為。 探索高度單分散的磁性納米材料的大量合成方法，通過 速燒結(jié) 等方法合成塊體納米復(fù)合耦合磁體?；瘜W(xué)合成 米顆粒，并與 軟磁組分耦合，探索硬磁與軟磁組元耦合作用制備耦合磁體的化學(xué)方法。 利用交換彈性耦合效應(yīng)及間隙原子效應(yīng)調(diào)節(jié)和改變材料的交換作用強(qiáng)度、磁晶各向異性、飽和磁化強(qiáng)度，制備出硬磁與軟磁耦合的納米復(fù)合永磁材料。 研究軟磁材料中的間隙原子效應(yīng)，尋求飽和磁化強(qiáng)度高于 金的間隙型軟磁材料。研究纖維增強(qiáng)氧化物涂層 納米軟磁復(fù)合材料中纖維尺寸及相對(duì)量、 層厚度及微觀組織、復(fù)合 工藝參數(shù)和性能的關(guān)系。 研究非晶相與納米相的含量、晶粒尺寸與成分和工藝之間的關(guān)系，制備飽和磁化強(qiáng)度高于 米晶軟磁合金。研究 非晶合金晶化條件與組織結(jié)構(gòu)間的關(guān)系。 利用 X 射線、原子力顯微鏡、高分辨電鏡等研究納米復(fù)合磁性材料的相組成、相結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸及界面結(jié)構(gòu)等。確定表面和界面結(jié)構(gòu)對(duì)磁性的影響。 制備納米復(fù)合磁性薄膜材料，研究在生長(zhǎng)功能薄膜材料中的襯底預(yù)處理方法對(duì)生長(zhǎng)過程和薄膜性質(zhì)的影響。用掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡研究薄膜的生長(zhǎng)機(jī)制、工藝條件與結(jié)構(gòu)和磁性的關(guān)系。 進(jìn)行納米復(fù)合磁性材料如 化學(xué)鍍 藝的初步探討，確定磷含量、鍍層厚度以及對(duì)磁性能的影響。 研制 高低磷含量的匹配的梯 度 結(jié)構(gòu)的涂層，優(yōu)化涂層的整體 服役 防護(hù)性能，并使得對(duì)磁性能的影響降至最低。 第三年： 理論分析納米復(fù)合永磁材料的耦合原理以及實(shí)現(xiàn)最佳磁性耦合的微觀結(jié)構(gòu)特征和軟磁相的臨界尺寸。調(diào)節(jié)和改變材料的交換作用強(qiáng)度、磁晶各向異性、飽和磁化強(qiáng)度，提高具有高矯頑力的硬磁相和高飽和磁化強(qiáng)度的軟磁新相的磁性能 。 建立易于實(shí)現(xiàn)納米耦合的模型與條件，實(shí)現(xiàn) 納米復(fù)合永磁材料的晶粒尺寸和微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和可控性 。研究 軟磁 納米 粒子 包覆對(duì) 粉綜合性能的影響。 制備高度單分散的異質(zhì)復(fù)合納米顆粒，包括磁性組元如 u, ，復(fù)合結(jié)構(gòu)中組元應(yīng)有大的聯(lián)結(jié)界面。 研究 納米軟磁復(fù)合材料高溫下的行為、微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)高溫演變規(guī)律及其對(duì)材料 力學(xué)性能和磁性能的影響。建立上述微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)、溫度和材料性能的相互關(guān)系，進(jìn)行理論分析和模型建立。 研究 非晶合金的結(jié)構(gòu)演化規(guī)律，闡明 納米晶的成核與長(zhǎng)大機(jī)制與穩(wěn)定機(jī)制，實(shí)現(xiàn)納米軟磁合金