釹鐵硼永磁材料因其高矯頑力和高磁能積，廣泛應(yīng)用于新能源汽車(chē)、風(fēng)力發(fā)電、節(jié)能電機(jī)等領(lǐng)域。目前高性能釹鐵硼材料往往依賴Dy(鏑)、Tb(鋱)等稀缺、昂貴的重稀土元素，嚴(yán)重制約其大規(guī)模推廣和應(yīng)用。引入儲(chǔ)量豐富、成本較低的La(鑭)、Ce(鈰)等高豐度稀土作為替代，能夠緩解關(guān)鍵資源依賴、提升稀土利用率。
中國(guó)科學(xué)院物理研究所M03組長(zhǎng)期從事稀土磁性功能材料研究(包括稀土永磁和稀土磁制冷材料)，前期利用稀土分離過(guò)程中的中間產(chǎn)物，首次在國(guó)際上研制出高豐度混合稀土燒結(jié)磁體的制備方法，成功制備出磁性能優(yōu)異的MM(Ce)-Fe-B/Nd-Fe-B雙主相磁體。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)高豐度稀土元素的引入容易導(dǎo)致磁體性能下降。同時(shí)，成分變量增多也使得性能與組分之間的關(guān)系更為復(fù)雜，傳統(tǒng)依賴試錯(cuò)的優(yōu)化策略面臨效率低、成本高的難題。
最近，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心磁學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室M03組博士生王錚在王晶副研究員、胡鳳霞研究員和沈保根院士共同指導(dǎo)下，聯(lián)合鋼鐵研究總院朱明剛教授、李衛(wèi)院士等合作，提出了一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法的創(chuàng)新性數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)材料優(yōu)化框架，構(gòu)建了具有“成分+復(fù)合電負(fù)性-磁性能”雙向預(yù)測(cè)功能的雙集成回歸模型。研究團(tuán)隊(duì)基于公開(kāi)發(fā)表文獻(xiàn)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了涵蓋材料電負(fù)性、化學(xué)成分與磁性能參數(shù)的快淬釹鐵硼薄帶完備數(shù)據(jù)集。以釹鐵硼材料中各元素的化學(xué)電負(fù)性為基礎(chǔ)進(jìn)行了模型特征構(gòu)造，將原始化學(xué)組分向更有物理意義的特征空間映射，增強(qiáng)模型的可解釋性，為釹鐵硼材料的性能優(yōu)化提供新思路。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)引入啟發(fā)式智能優(yōu)化算法與集成策略，基于模型選擇結(jié)果，針對(duì)不同磁性能融合多種回歸模型，進(jìn)一步提升模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度與泛化能力，實(shí)現(xiàn)了高豐度稀土釹鐵硼永磁材料的高效開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。
基于所建立的機(jī)器學(xué)習(xí)模型預(yù)測(cè)分析，團(tuán)隊(duì)在((Pr,Nd)xLayCe1-x-y)12Fe82B6組分體系中識(shí)別出一個(gè)兼具高磁性能與高比例高豐度稀土元素的成分區(qū)間，其中La含量達(dá)稀土總量25–40%，Ce最高達(dá)20%。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率超過(guò)90%。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步篩選出4種高性價(jià)比釹鐵硼組分，均實(shí)現(xiàn)超過(guò)28%的成本降低，及80%以上的磁性能保留。其中，最佳組分(Pr,Nd)8.1La3.6Ce0.3Fe82B6，相較于無(wú)La、Ce替代的原始組分，成本降低31.3%，綜合磁性能保留86.4%，在性能與經(jīng)濟(jì)性之間達(dá)成優(yōu)異平衡。
相關(guān)研究成果以“Machine learning guided design of RE-Fe-B(RE=PrNd,La,Ce) with comprehensive high performance”為題發(fā)表在Acta Materialia [Acta Mater. 2025, 292, 121031]上。并已申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利(專(zhuān)利號(hào)：2024105047807)。該工作得到了科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、工業(yè)和信息化部高質(zhì)量發(fā)展專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金和中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)的支持。
圖. (a) 機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)((Pr,Nd)xLayCe1-x-y)12Fe82B6高磁性能成分區(qū)間 (b) 樣品實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果-退磁曲線 (c)預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證值對(duì)比 (d)相對(duì)成本降低與相對(duì)磁性能保留對(duì)比
