5-23、基于材料基因工程的软磁复合材料及电磁特性研究

于荣海，刘晓芳，杨白，曾敏

北京航空航天大学材料科学与工程学院

摘要：磁电耦合材料是功能材料发展的主要方向，也是国际学术界一个非常重要的前沿领域。随着科学技术的高速发展和社会的进步，功能单一的材料越来越难以满足新型功能器件对材料的要求。因此，研究和制备具有多重性能的复合材料已成为当今材料领域的研究热点。迄今为止，合金化、纳米结构和与其它材料复合是磁电材料的发展方向。软磁材料与介电材料复合形成的磁电材料，无论在理论指导、成分设计、结构调控、性能优化等方面，还是其实际应用，均缺乏系统和深入的研究。而传统的材料研究手段无法多功能磁电材料快速和有效地研究。本研究采用材料基因工程方法，开展磁电复合材料高通量计算和设计、高通量制备和表征、使用性能和实际应用方面的研究，建立多元软磁合金、软磁/介电复合材料数据库，为磁电复合材料在通讯、航空航天等领域的应用提供技术储备，同时对磁电复合材料在太赫兹领域应用进行基础性的探索。

基于材料基因工程研究理念，围绕提高软磁合金、颗粒表面包覆软磁合金、和软磁合金相/介电相软磁复合材料综合电磁性能，开展了从高通量材料计算与设计、组织调控与性能优化、高通量制备与表征，到新型软磁复合材料的应用的研究。(1)针对Fe基软磁合金，以合金元素、成份和组织筛选为目标，采用第一性原理和相图优化方法，建立热力学和动力学数据库。研发适用于Fe基合金磁性耦合交换机理研究的高通量实验装置，和高通量多尺度的电磁性能表征技术, (2)针对新型高性能Fe基软磁合金，研发优选合金成份和组织的高通量梯度扩散制备技术、梯度热处理制度和合金颗粒表面包覆技术，和高通量微区力学性能和电磁性能表征技术，提出新型Fe基软磁合金和新型颗粒表面包覆Fe基软磁合金的设计准则，(3)开展新型Fe基软磁复合粉体材料的高通量制备和表征研究，基于自主研发的固/气原料成分组合供应系统、磁约束电弧等离子体温度场控制装置、粉体试样收集系统, 应用高精度原子发射光谱在线扫描和采集系统，结合等离子体能量状态和元素含量基础数据，实现软磁复合粉体材料的高通量制备和在线检测, 掌握了Fe基软磁复合材料的关键和高效制备技术，(4)基于材料电磁参数大数据库概念，构建基于遗传算法的基因优化电磁性能仿真计算平台；研究具有实际应用价值典型验证件制备成型关键技术，给出符合实际应用的材料制备技术方案；对典型验证件进行应用服役性能评估，通过高通量试验数据积累给出材料服役性能提升的最佳方案，亦为材料在太赫兹条件应用打下了初步的基础。

发展复合磁性材料将材料的磁性和其它性能在多尺度条件下进行耦合，使其向功能复合、智能化方向发展，提高材料的综合性能，促进各种功能器件微型化，在电子、电工、信息等领域有迫切需求，对发展我国高科技产业具有重大意义。同时，研究复合磁性材料的结构和性能的关系会加深人们对物质在微观和介观尺度特性的理解，促进该领域应用基础研究的进一步发展。

关键词：基因工程；软磁复合材料；电磁性能；Fe基合金

通讯作者：于荣海，电话：010-82317101，E-mail:rhyu@buaa.edu.cn

DOI:10.12110/secondfmge.20181014.523