基于层析成像的Nd-Fe-B磁体数字孪生体

NIMS成功使用基于电子显微镜获取的断层数据构建大规模有限元模型，模拟了Nd-Fe-B磁铁的磁化反转过程。这些模拟揭示了阻碍矫顽力（衡量磁铁对抗磁场退磁的能力）的微观结构特征。新的基于断层数据的模型有望指导可持续高性能永磁体的发展。

绿色能源发电、电动交通等高科技产业严重依赖高性能永磁体，其中Nd-Fe-B磁铁是最强大且需求最大的种类。迄今为止，工业用Nd-Fe-B磁铁的矫顽力远低于其物理极限。为了解决这个问题，可以采用对磁铁的真实模型进行微磁学模拟。

研究提出了一种新方法，通过扫描电子显微镜（SEM）获得的一系列2D图像与一致的聚焦离子束（FIB）抛光相结合的断层数据，可以转换成高质量的3D有限元模型，以重建超细晶粒Nd-Fe-B磁铁的真实微观结构，并在大规模模型中进行模拟。这种基于断层数据的方法是通用的，可应用于其他多晶材料，解决广泛的材料科学问题。

对基于断层数据的模型进行的微磁学模拟复制了超细晶粒Nd-Fe-B磁铁的矫顽力并解释了其机制。揭示了与矫顽力和磁化反转核形成相关的微观结构特征。因此，开发的模型可以被视为Nd-Fe-B磁铁的数字孪生体——一个旨在准确反映其物理性质的虚拟表示对象。

提出的Nd-Fe-B磁铁的数字孪生体在再现微观结构和磁性能方面足够精确，可以用于设计按需高性能永磁体的逆问题。例如，当研究人员输入特定应用所需的磁性能（如牵引或可变磁力电机），集成数字孪生体的数据驱动研究流程将能够为该应用提出最佳的磁铁组成、加工条件和微观结构，从而显著缩短开发时间。