稀土永磁是一项成熟的技术，但2011年稀土危机的冲击导致人们重新考量20世纪80年代和90年代的许多关于几乎不含稀土（或重稀土）的新型硬磁材料的想法。Nd-Fe-B永磁通过精心巧妙的优化，适用于需要以合理成本获得高性能的广泛应用领域。当需要高温稳定性时，Sm-Co是首选材料，而某些应用也逐渐开始使用Sm-Fe-N磁体。对这些基本材料的元素替代改进的范围已经进行了相当深入的探讨，同时制备技术对微观结构和磁滞现象的影响也已深入了解。上一代的一个很宏大的想法，即制备交换耦合硬/软纳米复合的各向异性磁体，来显著提高创纪录的磁能积。然而，事实证明这很难实现。尽管如此，该领域已取得发展，而其他领域的创新也在不断蓬勃发展。例如，电动私人交通已经从电动自行车发展到电驱动的汽车和卡车成为主流，并且由此可见，电动运输很有可能结束内燃机的主导地位。随着越来越清晰地了解特定永磁体的局限性，人们开始围绕它进行具有独创性和想象力的设计，并最有效地利用了可用的稀土资源混合物。此外，机器人技术正在吸引着巨大的新市场，而且人们才刚刚开始探索增材制造所提供的机会。提高磁体高温稳定性的新方法也正在开发中，并且具有其他有用特性的硬磁体的集成多功能性也正在设想中。这些研究课题将在本文中通过各种示例进行详细说明。
纳米永磁材料，因其磁性能卓越，力学性能稳定，热稳定性高，耐腐蚀性强，近年来成为永磁材料领域炽手可热的研究热点。纳米双相耦合永磁材料便是其中重要的分支之一。但到目前为止，在纳米耦合材料中实现的最大磁能积与其理论预言值仍然相去甚远。主要原因是在纳米永磁材料的制备过程中，如何实现理想的微观结构依然面临巨大的挑战。在本工作中，我们总结了快速热处理技术——电子束曝光，对Nd12.5-xFe80.8+xB6.2Nb0.2Ga0.3 (x = 0,2.5) 纳米耦合材料微观结构和磁性能的影响。相比于传统退火技术所需的退火晶化时间（15 min），电子束曝光下结晶时间仅需0.1 s，并且所需结晶温度降低约248 ℃（Nd2Fe14B单相材料）。在电子束曝光条件下，还观察到Nd2Fe14B和α-Fe相协同晶化效应。协同晶化不仅可以影响硬磁相和软磁相的晶粒形状、尺寸和成分，还可以影响它们之间的界面相互作用。随着Fe含量的增加，协同晶化的影响变得更加明显。由于电子束曝光下协同晶化改善了Nd2Fe14B和α-Fe相的均匀性以及抑制了晶粒的过度生长，因而电子束曝光相比于传统退火技术使材料获得了更加优异的磁性能。
具有四方ThMn12型结构的富铁化合物有潜力满足当下人们对于高磁能积、工作温度为150~200 ℃的贫稀土永磁体的需求。尽管磁体制备技术的发展滞后于相关磁性材料的研究是正常的，但对于ThMn12型磁性材料而言，这种研究进展的差异非常显著。近年来，随着以含少量结构稳定元素（如SmFe11V或Sm0.8Zr0.2Fe9.2Co2.3Ti0.5）或者不含该类元素的材料（如SmFe9.6Co2.4薄膜）为基础所合成的具有优异内禀磁性化合物研究的突破，这一差距进一步扩大。在日益强大的理论计算的帮助下，人们对于理想的化合物的探寻从未停步。遗憾的是，基于聚合物键合填隙改性粉末的磁体的研究仍然处于边缘阶段。人们发现，引入镧（La）可以提高Sm(Fe,Ti)12中少数低熔点相的稳定性，从而首次使得液相烧结成为可能。然而，La金属的高反应活性会明显地破坏材料的矫顽力（Hc）。最初被抑制的ThMn12型相的可控结晶使得'块状'磁硬化成为可能，这不仅在Sm-Fe-V合金中可以实现（自20世纪90年代便为人所知），并且在添加La的(Ce,Sm)(Fe,Ti)12合金中也可以实现。然而，块状硬化所得的合金的性能仍然不能令人满意。机械化学合成的(Sm,Zr)(Fe,Si)12和(Sm,Zr)(Fe,Co,Ti)12粉末可能适合烧结成具有高强度的全致密磁体，尽管在此之前，两者都已开发出较高的各向异性，而后一种合金已开发出较高的矫顽力。
多尺度模拟是研究新型永磁材料的关键工具。从第一性原理出发，我们利用一系列模拟方法计算出由新型磁性材料构成的永磁体的可能的最大矫顽场和最大磁能积。利用自适应遗传算法，我们发现了有利于形成永磁体的多种富铁（Fe）磁性相。我们利用从头计算模拟得到的材料本征特性作为微磁学模拟的输入参数，对具有真实结构的永磁体的磁滞特性进行了微磁模拟。我们利用机器学习技术对永磁体的微结构进行了优化，从而预测出该磁性相的矫顽力和最大磁能积的理论上限。我们计算了由几种候选硬磁相构造的永磁体的结构-性能关系，并用[矫顽力（T），最大磁能积（kJ·m–3） ]表示，具体结果如下：铁-锡-锑（Fe3Sn0.75Sb0.25）永磁体为（0.49, 290）； L10型有序相的铁-镍（L10 FeNi）永磁体为（1, 400）；钴-铁-钽（CoFe6Ta）永磁体为（0.87, 425）；锰-铝（MnAl）永磁体为（0.53, 80）。
本文报道了通过中子粉末衍射探测DyFe11Ti的磁结构及其热演化规律。使用了变温中子衍射技术来测量磁矩及其取向的温度依赖性。Dy和Fe磁矩以反向平行的方式形成亚铁磁性耦合，其2 K时的易磁化方向是基面(a, b)内的[110]轴。随着温度的升高，该磁结构先后经历了两次自旋重取向现象。低温下，Dy磁矩较大，达到9.7μB，而在200 K时磁矩迅速下降到7.5μB。在Fe 8i位置观察到了最大的Fe磁矩。尽管磁结构发生了很大的变化，但在研究的温度范围内ThMn12型晶体结构一直保持不变。在第一阶段的自旋重取向温度（TSR1）时，观察到了易磁化轴的急剧倾斜；易磁化轴与晶体c轴之间的夹角从2 K的90°减小到200 K时的约20°（其中c轴是200 K以上的易磁化轴）；同时Dy和Fe磁矩保持反向平行耦合。
具有单轴面内各向异性的非晶Sm-Co薄膜在信息存储和自旋电子学领域中都具有广阔的应用前景。产生单轴面内各向异性的最有效方法是在薄膜沉积过程中施加面内磁场。然而，这种方法通常需要复杂的设备。本文中，我们报道了一种产生单轴面内各向异性的新方法，只需要将非晶Sm-Co薄膜生长在(011)取向的单晶衬底上，薄膜生长过程中不需要施加任何外部磁场。薄膜的各向异性常数kA随衬底晶格常数的变化而变化。生长在LaAlO3 (011)衬底上的非晶Sm-Co薄膜的各向异性常数kA高达3.3×104 J·m−3。详细分析表明，衬底各向异性应变引起的铁磁畴的择优生长，以及薄膜中Sm-Co、Co-Co取向对的有序化，在非晶Sm-Co薄膜单轴面内各向异性的产生上起到了重要作用。这项工作为在非晶Sm-Co薄膜中获得单轴面内各向异性提供了一种新方法。
全球稀土储量的下降以及当前湿法回收技术对环境造成的影响日益受到人们的关注，开发一种有效回收钕铁硼（Nd-Fe-B）烧结磁体生产过程中剩余油泥的技术已迫在眉睫。本研究选择了Nd-Fe-B烧结磁体加工过程中产生的无心磨削油泥作为原材料。我们对油泥进行了还原扩散（RD）处理，以合成可供回收的钕磁体（Nd2Fe14B）粉末。在此过程中，包括钕（Nd）、镨（Pr）、钆（Gd）、镝（Dy）、钬（Ho）和钴（Co）在内的大多数有价值的元素被同时回收。氯化钙粉末（CaCl2）具有较低的熔点，我们将其引入RD工艺中以降低回收成本和提高回收效率。通过调节反应温度和油泥中的钙含量，我们系统地研究了Nd-Fe-B油泥回收过程中的反应机理。结果表明，当油泥中的钙含量为40 wt%且反应温度为1050 ℃时，获得的Nd2Fe14B单相颗粒的结晶度良好。我们在回收的Nd2Fe14B颗粒中掺杂了含量为37.7 wt%的Nd4Fe14B粉末，用以制备Nd-Fe-B烧结磁体，且所获磁体的剩磁为12.1 kG（1G =1×10–4 T）、矫顽力为14.6 kOe（1 Oe = 79.5775 A·m–1）、磁能积为34.5 MGOe。该回收路径在回收效率和成本上具有很大的优势。
为了提高永磁体性能尤其是矫顽力，对气雾化MnAl粉末首次进行了30 s短时间球磨。结果表明，如此短的处理时间加上随后的退火可以高效地得到纳米结构和可控的相变。球磨过程中产生的微应变引起的缺陷与退火过程中形成的β相共同起到钉扎中心的作用，从而提高了矫顽力。研究表明，为了在磁化强度和矫顽力之间达到折中，在铁磁性τ-MnAl相和β相的形成之间找到一个平衡是很重要的。球磨（30 s）和退火后获得的矫顽力高达4.2 kOe (1 Oe = 79.6 A·m–1)，与早期文献报道的球磨时间超过20 h时的矫顽力相当。球磨后粉末的退火温度降低了75 ℃，矫顽力提高了2.5倍，而退火后的气雾化材料的剩磁基本保持不变，为合成各向同性的MnAl基粉末开辟了一条新的途径。
铁弹性的ABO4型RETaO4陶瓷和RENbO4陶瓷（RE表示稀土）是具有潜在应用价值的热障涂层（TBC）材料，研究人员正在对其进行大量研究。结果显示， RETaO4陶瓷的力学性质优于RENbO4陶瓷的力学性质。在本研究中，我们通过B位钽（Ta）置换对利用固相法（SSR）制备的EuNbO4陶瓷的热学和力学性质进行优化。我们使用X射线衍射（XRD）法和拉曼光谱技术对所制备的晶体结构进行确认，并利用扫描电子显微镜（SEM）对结构表面的微观形貌进行观察。结果表明，通过B位Ta置换可以有效提高EuNbO4陶瓷的杨氏模量和热膨胀系数（TEC），且其最大值分别为169 GPa和1.12×10−5 K−1（1200 ℃）； EuNbO4陶瓷的热导率被降低至1.52 W·K–1·m–1（700 ℃），且材料的抗热辐射能力得到了改善。我们建立了声子热扩散系数与温度之间的关系，用以通过消除热辐射效应来确定声子本征热导率。研究结果表明，通过B位Ta置换能够有效优化EuNbO4的热学和力学性质，从而使得此种材料在将来可成为一种高温结构陶瓷材料。
蛋白质在固体表面的吸附过程涉及诸多复杂的分子间相互作用，因此到目前为止仍然无法做到精准调控。通过模拟计算，可以获取固-液界面分子尺度的蛋白质移动机理，从而为预测蛋白质吸附和结垢现象提供可靠的理论依据。本研究通过多尺度粗粒化模型对多条疏水的丙氨酸十二肽在金表面的聚集和吸附过程进行了分析。大约有一半（46.6%）的丙氨酸十二肽可以组成聚集体。30.0%的独立肽链会被快速地吸附到固体表面。这些在表面吸附的肽链经过一段时间的爬行，其中的一些（51.0%）能与吸附在表面的或是游离在溶液中的肽链融合，从而形成吸附在表面的聚集体。这些在固-液界面吸附的肽链使得固体表面性质发生变化。这一变化可能会进一步影响之后溶液中肽链和聚集体在金表面的吸附。本研究揭示的多条肽链吸附机理有希望为进一步研究多个蛋白质分子在固体表面的吸附机理提供理论基础。
在本研究中，我们设计、制备和测试了两种新型折叠夹层圆柱壳。格栅夹芯具有周期性的'之'字形波纹，其脊线与谷线沿着轴向或环向延伸。通过自由振动和轴向压缩试验，我们研究了圆柱壳的固有频率、自由振动模态、承载能力和失效模式。通过减小局部蒙皮周期单元的尺寸，折叠格栅夹芯能有效地抑制折叠夹层圆柱壳的局部屈曲；通过提高夹层的剪切刚度，折叠格栅夹芯能有效地提高折叠夹层圆柱壳整体的抗屈曲性能。圆柱壳在材料失效模式下失效，其具有良好的承载能力。轴向折叠夹层圆柱壳具有更高的承载能力，而环向折叠夹层圆柱壳具有更高的固有频率。这两种折叠格栅内芯为工程师设计有强度或振动要求的夹层圆柱壳提供了一种选择。本研究也为大尺寸折叠结构的制作和工程应用提供了一种可行的方法。