Cu 掺杂对 τ-MnAl 相稳定性及磁性的影响：探寻高性能无稀土永磁材料新路径

为提升 Mn-Al 材料磁性和相稳定性，研究人员探究 Cu 掺杂影响，发现 450°C 退火时性能最佳，意义重大。

　　在科技飞速发展的当下，自动化、电动汽车、风力发电等领域对永磁体的需求与日俱增，全球永磁体市场规模预计达 220 亿美元。传统永磁体多依赖稀土元素，其出色的磁性使其成为这些领域的关键材料。然而，稀土元素价格高昂且供应不稳定，这就像一颗 “定时炸弹”，严重制约着永磁体行业的可持续发展。寻找能替代稀土元素的新型永磁材料，成为科研人员亟待攻克的难题。

在此背景下，MnAl 基合金凭借其独特优势进入了研究人员的视野。MnAl 合金中的 τ 相，具有四方 L1₀结构，展现出高各向异性场（H_A）、饱和磁化强度（M_S）和高于 300°C 的居里温度（T_C），是极具潜力的无稀土永磁材料 “候选者”。但 τ 相存在一个 “致命弱点”—— 它是亚稳相，在一定条件下容易分解为非磁性的 γ₂相和 β 相，导致磁性下降。如何稳定 τ 相并提升其磁性，成为了研究的关键。

来自哥伦比亚山谷大学、安第斯大学等多所研究机构的研究人员 A.J. Echeverri R、M. Sánchez 等组成科研团队，针对这一问题展开深入研究。他们将目光聚焦在 Cu 掺杂对 MnAl 合金的影响上，通过一系列实验，试图揭开提升 MnAl 基永磁材料性能的奥秘。相关研究成果发表在《Heliyon》杂志上。

为开展此项研究，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：一是采用熔纺法，以 20m/s 的速度和 400 - 450mbar 的压力在氩气氛围中制备金属薄带，快速冷却获得高温 ε 相；二是运用 XRD（X 射线衍射）技术，使用布鲁克 D8 X 射线衍射仪在室温下测量样品粉末，通过 Rietveld 精修分析衍射图谱，获取晶格参数等信息；三是借助 SEM（扫描电子显微镜）配备 EDX（能量色散 X 射线）探测器，观察样品的微观结构、相分布及化学成分；四是利用 VSM（振动样品磁强计）测量合金的磁性能，如剩磁和矫顽场。

研究结果如下：

• 扫描电子显微镜（SEM）分析：通过 SEM 观察发现，熔纺样品表面均匀，存在 τ 相成核区域，EDX 分析表明样品成分接近预期。在样品中还观察到了铁磁 τ 相、β 相和抛光产生的缺陷，τ 相电子密度高，在材料基体中均匀分布；β 相亮度适中，成分和密度与 τ 相不同；表面缺陷则表现出低电子反射率12。
• X 射线衍射（XRD）分析：研究人员对不同成分的样品进行 XRD 分析，发现熔纺过程能获得大量前驱体 ε 相和一定比例的 τ 相。在 Mn_55-xAl₄₅Cu_x体系中，未热处理样品中较高的 Cu 含量能部分稳定高温相；随着退火温度升高，τ 相比例下降，β 相含量增加。对 τ 相晶格参数分析发现，Cu 掺杂影响晶格尺寸，但整体结构保持一致。在 Mn₅₅Al_45-xCu_x体系中，情况类似，且由于 Al 被 Cu 取代，合金更易分解为非磁性相34。
• 振动样品磁强计（VSM）分析：VSM 测量结果显示，Mn_55-xAl₄₅Cu_x体系合金表现出硬磁行为，退火温度升高，磁性降低。450°C 退火时，2.0at.% Cu 掺杂（450Mn2.0）样品的矫顽场（H_c）为 134.1kA/m，剩磁（M_r）为 41.0A?m²/kg ，最大磁能积（(BH)_max）为 13.7kJ/m³；2.5at.% Cu 掺杂（450Mn2.5）样品的 H_c为 145.2kA/m，M_r为 35.6A?m²/kg ，(BH)_max为 10.2kJ/m³。在 Mn₅₅Al_45-xCu_x体系中，Al 被 Cu 部分取代使体系磁化强度降低，但矫顽场增加，其中 Mn₅₅Al_42.5Cu_2.5成分的矫顽场最高56。

研究结论与讨论部分指出，通过熔纺工艺能获得大量前驱体 ε 相和亚稳 τ 相，450°C 是获得理想铁磁 τ 相的最佳温度，高于此温度，τ 相会分解为非磁性相。不同 Cu 掺杂体系表现出不同的相分解行为，Mn_55-xAl₄₅Cu_x体系主要分解为 β 相，而 Mn₅₅Al_45-xCu_x体系则分解为 β 相和 γ₂相，且 β 相占主导。此外，适量 Cu 掺杂能提高 τ 相比例，细化微观结构，提升合金的磁性。研究还发现，c/a 比与最大磁能积密切相关，对其深入研究有助于设计高性能磁性材料。

这项研究为无稀土永磁材料的发展提供了重要理论依据和实践指导，有望推动 MnAl 基永磁材料在实际生产中的应用，缓解稀土资源依赖问题，在永磁材料领域具有重要的科学意义和应用价值。