科技成果汇编：材料科学领域精选科技成果推荐

项目1：多功能铁磁体研究

项目2：钠离子层状氧化物正极材料

项目3：金刚石晶界结构及行为研究

项目4：高性能非晶碳/纳米金刚石自生复合材料研究

项目5：纳米复合永磁材料研究

项目一：多功能铁磁体研究

1技术简介

具有多功能特性的新材料对社会发展将产生巨大的影响。在消耗全球40%以上电力的电机及驱动器应用中，对多功能材料的需求尤为迫切。铁磁材料是实现上述应用的关键材料。然而，在铁磁材料中，高的饱和磁化强度和大的矫顽力之间、高能量密度与高电阻率和高热稳定性之间通常是相互排斥的。提高一种性能，往往以牺牲其它关键性能为代价。这些基本物理性能之间的倒置关系，使铁磁材料难以获得多功能特性。这种内在的多重性能冲突（trade-offs），限制了新一代多功能材料的发现。

研究团队提出了一种HNS设计策略。团队采用简单的二元PrCo5合金为模型材料，通过制造丰富、有序的HNS，协同操纵了具有内在矛盾的能量密度、电阻率和磁热稳定性，破解了铁磁体中内在的多种性能冲突。采用该策略制备的HNS永磁体同时具有高的能量密度、大的电阻率和高的矫顽力热稳定性，优于现有的高温铁磁体。除了控制材料的电子输运和畴壁移动，该HNS策略还可用来控制声子传输和光传播以及反应物的传输，发展下一代多功能材料。

与传统的复杂合金设计理念不同，该HNS策略可用于简单的二元合金，无需添加其它合金元素。

因此，节约资源，简化了材料的制造过程，尤其是避免了添加合金元素带来的关键性能的恶化。为了获得理想的多级纳米有序结构，研究团队创建了具有鲜明特色的、基于焦耳热加热的高压强约束热变形技术。该技术能够在几秒钟内快速合成完全致密的块体材料，并实现纳米尺度和原子尺度结构的可控构筑和结构特性的有效控制。

项目二：钠离子层状氧化物正极材料

1技术简介

研究团队指出打破气体间的耦合作用是实现材料稳定存储的关键外在因素。通过以广泛研究的NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2（NFM111）作为模型材料，扩展至其同系物，结合使用原位环境气氛透射电镜、同位素标记法、二次离子质谱、中子散射、同步辐射X射线吸收谱等先进表征方法，发现水蒸气、二氧化碳或者氧气单独存在时并不会引发显著的劣化反应，挑战了这三种气体（尤其是水蒸气）单独即可引发剧烈劣化反应的传统观点；水蒸气在劣化过程中起到关键性的桥梁作用，可以将二氧化碳和氧气与材料联系，分别引发酸性降解和氧化降解。其中，酸性降解将引发剧烈的Na+/H+交换，在材料表面形成碳酸钠或碳酸氢钠，同时还将引发裂纹拓展生长、晶格扭曲、位错产生和强酸性情况下的表面过渡金属离子还原和重构等后续反应；氧化降解中，体相中氧化物氧化还原电位较低（距离费米能级较近）的过渡金属离子将优先被氧化，同时释放出钠离子到表面以平衡电荷，被氧化的过渡金属离子（Ni3+）在表面通常不稳定，容易被还原从而引发表面重构。

同时，研究团队还开发了一种基于滴定气相色谱技术的标准化空气稳定性测试方法，用以定量评价不同反应路径的贡献和不同材料的空气稳定性。根据30余种材料劣化后钠损失量的定量结果及前期研究成果，综合各组成的离子势和初始钠含量，定义了阳离子竞争系数η，并发现：酸性降解主导了大多数材料的劣化反应；通过减小阳离子竞争系数和增大材料粒径大小可以有效提升材料的抗酸能力；通过选择高电位的氧化还原对可以有效提升材料抗氧化能力主要因素。综合上述手段，同时引入潜在的表面和碱金属层优化，改性材料Na0.96Ca0.02Cu0.1Ni0.35Fe0.1Mn0.2Ti0.25O2的钠损失量可由模型材料的0.489降低至0.019（减少了96%）。研究成果对设计空气稳定的钠离子电池层状氧化物正极材料具有重要的指导作用

项目三：金刚石晶界结构及行为研究

1技术简介

研究人员使用球差校正扫描透射电子显微镜系统地研究了纳米孪晶金刚石Σ3{112} ITB的界面结构，并借助电子辐照荷电效应所产生的机械应力，原位记录了室温下ITB界面的结构转变和迁移的动态过程。实验发现：纳米孪晶金刚石中的Σ3{112}            ITB呈现6种构型，其中3种为镜面对称，3种为非镜面对称；镜面对称构型可以进行长距离快速迁移，与金属材料类似；而非镜面对称构型则以剪切耦合模式进行短距离迁移；在应力作用下，虽然不同构型的ITB可以通过位错介导机制相互转变，但非对称构型与对称构型之间转变的势垒较高；纳米孪晶金刚石中Σ3{112}            ITB主要以低能量、低迁移率的非对称构型存在，即便在孪晶厚度低至约1nm时依然如此，从而导致了纳米孪晶金刚石的持续硬化行为。结合旋进电子衍射和分子动力学模拟结果，研究人员发现界面结构转变所需的激活应力接近于金刚石中全位错启动所需的临界剪切应力，从而揭示了纳米孪晶金刚石中Σ3{112}            ITB高稳定性的结构起源

项目四：高性能非晶碳/纳米金刚石自生复合材料研究

1技术简介

研究团队以玻璃碳为原料在高压窄温区条件下合成了一种新型碳/碳复合材料—非晶碳/纳米金刚石自生复合材料。在该材料中，平均粒径为4.8nm的超细纳米晶金刚石均匀嵌在无序弯曲的多层石墨烯基体中，两者之间的非共格界面主要由随机结合的sp2或sp3键构成。这种独特的显微组织和界面结构表明非晶碳向金刚石的转变是通过纳米金刚石的成核和生长来实现的，符合经典的成核生长理论。该复合材料的非共格界面与石墨/金刚石相变形成的共格界面完全不同，非晶碳向金刚石的相变机制也迥异于石墨向金刚石的相变机制。

这种碳/碳复合材料在碳材料家族中具有独特的力学性能和电学特性组合：努氏硬度高达53 GPa，超过立方氮化硼，与金刚石(111)面硬度相当；其微米柱的压缩强度高达54GPa，可媲美单晶金刚石；室温电导率高达670-1240S/m，可进行电火花加工。该材料具有钻石般的硬度/强度以及石墨般的导电性，是目前最硬、最强、导电的碳/碳复合材料，具有重要的应用前景，如用作微/纳米力学领域中的导电超强压头、高性能导电超强模具、耐磨自润滑轴承和防静电基板和组件等。

该研究通过精细控制非晶碳相变过程，利用亚稳态至亚稳态相变，截获了新型亚稳碳材料—导电超硬非晶碳/纳米金刚石自生复合材料，阐明了非晶碳到晶态金刚石的相变机制，为开发由两个或多个同素异形体组成的新型复合碳材料提供了新思路。

项目五：纳米复合永磁材料研究

1技术简介

研究团队提出了一种新颖的变形策略，制备出各向异性块体SmCo/FeCo纳米复合永磁材料，从而巧妙地解决了这个困扰世界各国研究人员二十多年的“工程噩梦”。该材料的磁能积（28            MGOe）为当前报道的含高软相分数块体纳米复合磁体的最高值，并超过了相应的纯稀土永磁材料（磁能积提高了58%）。另外，所制备的纳米复合材料的磁能积可以与当前商业SmCo5和Sm2Co17磁体相媲美，但是，少用稀土钐（Sm）20−39            %（重量百分数）。这优异的性能源于他们实现了对软、硬磁晶粒多个结构参数的同时控制。研究小组先采用机械合金化技术将软磁晶粒均匀分布在Sm−Co非晶基体上来控制软相的尺寸、含量和分布；然后，采用高压热梯度压缩变形，利用晶体的应变能各向异性，使硬磁晶粒在非晶基体中垂直取向生长，以获得沿易磁化轴对中的柱状硬磁纳米晶体，从而实现了对软磁和硬磁晶粒结构的同时控制。

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