FeNi 启发磁体高矫顽力的起源

为何新型磁体重要

从风力发电机和电动汽车到智能手机和医学扫描仪，强力永久磁体在现代技术中默默发挥着关键作用。目前性能最强的磁体依赖稀土元素，但稀土开采和加工成本高昂，并带来环境与地缘政治问题。本研究从自然——以及陨石中的微小结构——汲取灵感，提出一个简单问题：是否可以通过精确控制材料的组装方式，仅用铁和镍等普通金属而非稀土，构建出强且稳定的磁体？

以陨石为线索

铁陨石中含有一种称为四方铁镍相（tetrataenite）的显著铁—镍材料，长期被认为是天然存在的“宇宙”磁体。它形成有序的原子排列，理论上应产生强且稳定的磁性。然而，在陨石中这种相仅以极小的晶粒形式存在于其他矿物的复杂混合物中，并且是在太空中长达数百万年的缓慢冷却过程中形成的。在地球上以实用规模和合理时间重现这种特殊结构一向非常困难。然而，一些实验室制备的铁—镍合金即便几乎没有或难以检测到四方铁镍相，也显示出令人惊讶的高磁硬度（以矫顽力衡量）。

用简单成分构建微小丝状结构

研究人员着手检验：某些铁—镍样品中观察到的异常磁强度，是否确实需要这种稀有有序相，还是仅来自材料在纳米尺度上的排列方式。他们将铁、镍和磷熔化形成“母合金”，然后以不同冷却速度将熔体快速铸造成非常细的玻璃包覆微丝。X 射线衍射实验和电子显微镜图像显示，得到的微丝仅含两种晶相：一种具有简单立方原子排列的“软”铁—镍相，以及一种磷化物相——石膏状相（schreibersite）。重要的是，铁—镍以极小的扁平板状晶粒出现，直径仅约 20 纳米，分散在连续的石膏状相基体中。

微观结构如何将软变硬

室温下的磁学测量显示，这些仅由软性铁—镍嵌入石膏状相中的纳米结构微丝，具有约 400–440 奥斯特的矫顽场——与声称含有硬性四方铁镍相的材料报道值相近。详细分析解释了其原因。每个微小的铁—镍薄片尺寸小于其分裂成多个磁畴所需的临界尺寸，因此表现为单一磁畴。由于这些薄片又薄又延长，其形状对翻转磁方向有很强的阻抗，这种效应称为形状各向异性。与此同时，周围的石膏状相在室温下不具磁性，因此充当类似绝缘隔离体：它阻止相邻薄片在磁学上“相互沟通”。单畴尺寸、片状形状和磁性隔离共同使整体材料难以消磁，即表现出高矫顽力。

当基体也参与时

研究团队接着探讨了当周围基体变得有磁性时会发生什么。将微丝冷却至约 190 开尔文（–83 °C）以下时，石膏状相变为铁磁性，使铁—镍薄片可以通过基体耦合。在这种情况下，矫顽力显著下降：曾被隔离的畴现在集体反转磁化，使样品更容易被磁化和消磁。另一组由纯铁和铁磷化物铁磁基体制成的微丝在室温下也表现出类似的低矫顽力。这些比较清楚地表明，基体的磁性特征——无论它在磁学上是“沉默”的还是主动连接晶粒——在决定磁体硬度方面起着核心作用。

对未来磁体设计的意义

研究得出结论：这些 Fe–Ni–P 微丝中大的矫顽场并不需要存在稀有的四方铁镍相。相反，它们主要源自微观结构与形状的组合：极小的片状铁—镍晶粒，每个作为单一磁畴，分散并在无磁性的石膏状基体中被磁学隔离。当基体变为有磁性时，矫顽力坍塌，表明硬度的关键在于晶粒如何排列与隔离，而非某种稀有有序相的特殊内在性质。对于无稀土磁体的设计，这一见解具有重要意义：通过工程化常见金属相的尺寸、形状与间距，或可利用丰富元素和可扩展的加工方法，实现稳健的磁性能。

引用: Hernando, A., de la Presa, P., Jiménez-Rodríguez, J.A. et al. Origin of the high coercivity in FeNi inspired magnets. Sci Rep 16, 6014 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36990-5

关键词: 无稀土磁体, 铁镍合金, 纳米晶微丝, 磁矫顽力, 微观结构