第一作者
许国婧 博士研究生
北京工业大学
北京工业大学材料与制造学部/材料科学与工程学院在读博士研究生,主要从事数据驱动的 Sm-Co 基合金相稳定性与磁性能研究。
文章导读
Sm-Co 体系永磁合金对于超过 500℃ 的服役环境具有其它磁性材料难以比拟的性能优势和发展前景。在多种 Sm-Co 二元化合物中,SmCo7 因其优良的综合磁性能和较低的矫顽力温度系数,可作为高性能高温永磁体,在磁性材料领域具有重要发展潜力。然而,由于其 1:7 H 属于亚稳相,在室温下不能稳定存在,很大程度限制了 SmCo7 基合金的应用。另一方面,有限范围的实验难以快速获得 Sm-Co 基合金中某些特定相的稳定性及其失稳变化的普适性规律。随着数据驱动材料设计和开发的不断发展,使在更大材料成分范围、考虑更多因素的条件下,研究合金性能主导相的稳定性成为可能。
北京工业大学的宋晓艳教授团队在 Nanomaterials 期刊发表了一篇关于数据驱动的 Sm-Co 基合金相稳定性的文章。该文章通过数据驱动方法揭示了合金晶粒尺寸和掺杂元素对 1:7 H 相稳定性控制的协同作用,建立的模型和方法为具有高稳定性的亚稳相基体合金体系的成分设计和组织调控提供了重要的定量化指导和科学依据。
研究过程和主要结果
该研究基于北京工业大学宋晓艳教授团队自建的 Sm-Co 基合金数据库,构建了机器学习模型,以研究元素掺杂和晶粒尺寸对 SmCo7 基合金相组成的双重影响。利用支持向量机模型对掺杂元素本征特性组成的特征子集进行遍历,发现影响 Sm-Co 基合金相组成的最重要的两个本征特性为掺杂元素的熔点和掺杂元素与 Co 之间的电负性差 (图1)。
图1. 所有特征子集的平均 AUC 值。不同颜色的点表示不同数量特征子集的平均 AUC 值。由于特征子集数量较大,分散的点会相互重叠。红点表示不同数量最佳特征子集的平均 AUC,菱形代表影响合金相稳定性的最重要本征特性。
经过特征构建、特征筛选后,以合金制备态的平均晶粒尺寸、掺杂元素含量、掺杂元素熔点、掺杂元素与 Co 的电负性差、合金制备工艺以及材料形态 (粉末、薄带、块体) 为输入特征,对制备态 SmCo7-xMx 纳米晶合金块体的虚拟样本进行了高通量计算预测 (图2)。发现与 Co 的电负性差小于 0.05 的掺杂元素可以在大的晶粒尺寸范围内显著提高 1:7 H 相的稳定性。当电负性差异增加到 0.4 时,相稳定性更依赖于掺杂元素的熔点、掺杂浓度和合金的平均晶粒尺寸的共同作用。根据数据驱动方法获得的预测结果,结合掺杂元素优选和晶粒组织特点进行了 Sm-Co 基合金优化设计,对实验制备的试样进行了测试分析,合金中物相组成的实测结果与模型预测结果完全符合 (图3)。
图2. 选取相稳定性高通量预测的掺杂元素示例进行实验验证:(a) SmCo7-xSix(x = 0, 0.4, 0.6, 0.9)的物相分析,平均晶粒尺寸为 28-44 nm;(b) SmCo6.5Ni0.5、SmCo6.9Ni0.1、SmCo6.5Fe0.5 和 SmCo6.1Si0.9 的物相分析,平均晶粒尺寸为 25-30 nm;(c) SmCo7-xMx (M=Si、Ni、Fe) 合金的物相实测结果和模型预测结果的比较。
图3. 高通量预测得到的制备态 SmCo7−xMx 块体合金在成分和晶粒尺寸协同作用下的相组成。元素周期表上方的插图为引导栏,色条表示产生 1:7 H 单相的概率,红色表示更容易获得稳定的 1:7 H 相。黄色框代表能够稳定 1:7 H 相的“首选元素”。
研究总结
该研究建立了机器学习模型,发现了影响 Sm-Co 基合金中 1:7 H 相结构稳定性的两类关键特征:掺杂元素熔点和元素与 Co 的电负性差。对制备态 SmCo7-xMx (M 代表掺杂因素) 纳米晶合金的虚拟样本进行了高通量预测,首次提出了在各类掺杂元素和合金晶粒尺寸双重因素作用下,合金体系的相组成和相稳定性的特点及其变化规律。本研究建立的数据驱动的相稳定性高通量预测方法可以推广应用于其它合金体系,并适用于面向性能主导相稳定性控制的合金成分设计和调控晶粒组织的工艺优化。
原文出自 Nanomaterials 期刊
Xu, G.; Lu, H.; Guo, K.; Tang, F.; Song, X. Predictions on the Phase Constitution of SmCo7−XMx Alloys by Data Mining. Nanomaterials 2022, 12, 1452.
本篇文章来源于 Nanomaterials 期刊宋晓艳教授、赵治副教授主持的特刊“Structural and Functional Nanocrystalline (NC) Materials”,欢迎相关领域学者关注、阅读和投稿。
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https://www.mdpi.com/si/114233
Nanomaterials 期刊介绍
主编:Shirley Chiang, University of California Davis, USA
期刊主题涵盖纳米材料 (纳米粒子、薄膜、涂层、有机/无机纳米复合材料、量子点、石墨烯、碳纳米管等)、纳米技术 (合成、表征、模拟等) 以及纳米材料在各个领域的应用 (生物医药、能源、环境、电子信息等) 等。
2021 Impact Factor:5.719
2021 CiteScore:6.6
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Time to Publication:33 Days
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