《釤鈷基合金數據管理規(guī)范標準編制說明》

1、工作簡要過程，來源、主要參加單位和工作組成員

（1）工作簡要過程

2019年7月牽頭單位北京工業(yè)大學開始啟動本標準制訂的

準備和申請工作。2020年7月20日召開了材料基因工程數據標

準框架體系研討會，上海交通大學汪洪教授致辭，原冶金工業(yè)信

息標準研究院副院長王麗敏做了“構建標準體系的要求”的特邀

報告，汪洪教授介紹了材料基因工程數據標準體系及CSTM

FC-97各技術委員會分工情況。隨后，與會專家學者探討了材料

基因工程數據標準的頂層設計、產生流程等問題。

2020年8月15日，北京工業(yè)大學宋曉艷教授代表本標準制

訂團隊提交了“中國材料與試驗團體標準制修訂項目建議書”和

“釤鈷基合金數據管理規(guī)范標準（草案）”。2020年9月4日，

召開了CSTM標準立項評審會，會議由鋼鐵研究總院CSTM/FC97

材料基因工程領域委員會副主任委員賈云海教授主持。北京工業(yè)

大學宋曉艷教授匯報了《釤鈷基合金數據庫數據管理規(guī)范》標準

草案的準備情況和主要內容，與會專家上海交通大學汪洪教授

（CSTM/FC97材料基因工程領域委員會主任委員）、鋼鐵研究總

院賈云海教授、上海交通大學張瀾庭教授（CSTM/FC97材料基因

工程領域委員會秘書長）、鋼鐵研究總院CSTM秘書處王蓬主任、

標準專家羅倩華老師、趙雷老師等，經過充分討論給予了指導意

見和修改建議。

根據各位專家的意見和建議，本標準制訂團隊對標準（草

案）進行了全面的修改、補充，于2020年9月22日提交了標準

（草案）的修改版文件。自2020年9月至2021年3月期間，本

標準制訂團隊又進一步與材料基因工程、計算材料學、稀土永磁

材料、標準制訂等多個領域的專家就標準（草案）的內容進行了

大量討論和交流，在此過程中又獲得了很多寶貴的建設性意見和

建議。在此基礎上，本標準制訂團隊進一步將標準（草案）的內

容和標準申請建議書進行了多方面的修改完善。根據多位專家的

建議，將該標準名稱改為《用于數據驅動材料設計的釤鈷基合金

數據管理規(guī)范》，與之前的《釤鈷基合金數據庫數據管理規(guī)范》

名稱相比，對該標準的性質、應用范圍等的表達更加準確。

2021年3月7日，本標準制訂團隊提交了修改完成的《用

于數據驅動材料設計的釤鈷基合金數據管理規(guī)范》標準（草案）

和“中國材料與試驗團體標準制修訂項目建議書”的新的版本。

2021年3月26日，CSTM標準委員會簽發(fā)了《用于數據驅

動材料設計的釤鈷基合金數據管理規(guī)范的立項公告

-FC97-FC97/TC06》。自簽發(fā)公告至今，本標準制訂團隊仍繼續(xù)與

相關領域專家進行咨詢和討論，以保證標準（草案）的準確完善。

（2）主要參加單位和工作組成員

成員姓名

所在單位

★為工作組組長

★宋曉艷北京工業(yè)大學

劉東北京工業(yè)大學

王海濱北京工業(yè)大學

唐法威北京工業(yè)大學

呂皓北京工業(yè)大學

劉雪梅北京工業(yè)大學

尹海清北京科技大學

宿彥京北京科技大學

方以坤鋼鐵研究總院

朱明剛鋼鐵研究總院

趙雷鋼鐵研究總院

賈云海鋼鐵研究總院

汪洪上海交通大學

2、標準化對象簡要情況及制修訂標準的原則

（1）標準化對象簡要情況

釤鈷基合金是目前國際上公認的高溫稀土永磁合金中性能相

對最好、發(fā)展?jié)摿Υ蟮氖走x合金體系。適用于數據驅動材料設計

（即滿足機器學習、數據挖掘等應用）的一條完整的釤鈷基合金

數據，應包含材料研發(fā)過程的全鏈條信息，包括材料名稱及規(guī)格、

元素組成、制備工藝、材料樣品的表征或測試結果、數據來源等。

然而，現有的釤鈷基合金數據的內容、形式表現方法多種多樣，

例如，材料名稱由于其生產國家不同而存在不同形式的描述；成

分信息使用質量百分比、原子百分比等多種表述方法；原材料涉

及粉末、鑄造塊材等不同形式；制備工藝中每個步驟包括步驟名

稱、階段性產物名稱、參數名稱、參數值和參數單位等，其記錄

方式存在列表或文字描述等多種形式；材料性能具有不同的單位

度量，如矯頑力的單位有kA/m與kOe，并且同一性能單位存在

不同描述形式，如平方米與m2，m/s與m·s-1等；數據來源包括

摘錄與實際測量。釤鈷基合金數據庫中的數據表述方式各異，且

數據的完整程度也各不相同，由此對數據交換和融合造成巨大困

難。目前，國內外均無對釤鈷基合金數據庫內容的描述規(guī)范及相

關標準。國內外涉及釤鈷基合金數據的數據庫均按照各自形成的

表述方式，尚無系統(tǒng)完整的數據內容和統(tǒng)一的表述方式，缺乏釤

鈷基合金數據存儲、使用的規(guī)范性，也不利于數據的融合和共享。

（2）制修訂標準的原則

制修訂標準的依據或理由：

本標準旨在規(guī)范適用于數據驅動材料設計（即滿足機器學

習、數據挖掘等應用）的釤鈷基合金數據的內容范圍及表述方式，

使數據內容完整且表述方式、格式一致，提高釤鈷基合金數據存

儲、使用和共享的規(guī)范性，促進我國高溫永磁合金領域的材料高

效設計與快速開發(fā)。

制修訂標準的原則：

本標準規(guī)定了《材料基因工程數據通則》下的用于數據驅

動材料設計的釤鈷基合金數據的描述規(guī)范，包括樣品數據格式、

源數據格式及衍生數據格式。

3、標準主要內容確定的論據

本標準確定了用于數據驅動材料設計的釤鈷基合金數據的

基本內容以及各部分內容的收錄范圍。釤鈷基合金數據的基本內

容包括材料名稱及規(guī)格、元素組成、制備工藝、性能信息、實驗

條件、數據來源。

目前，釤鈷基合金數據存在的問題主要有：1）材料名稱由

于其生產國家不同而存在不同形式的描述；2）成分信息使用質

量百分比、原子百分比等多種表述方法；3）原材料涉及粉末、

鑄造塊材等不同形式；4）制備工藝中每個步驟包括步驟名稱、

階段性產物名稱、參數名稱、參數值和參數單位等，其記錄方式

存在列表或文字描述等多種形式；5）材料性能具有不同的單位

度量，如矯頑力的單位有kA/m與kOe，并且同一性能單位存在

不同描述形式，如平方米與m2，m/s與m·s-1等。

根據這些問題，確定標準規(guī)范的主要內容：

·材料名稱及規(guī)格的表述規(guī)范；

·元素組成信息的表述規(guī)范；

·制備工藝信息的表述規(guī)范，包括原材料信息和工藝步驟及

參數的表述；

·物相組成信息的表述規(guī)范；

·性能信息的表述規(guī)范，包括性能的分類、性能的名稱表述

規(guī)范、單位的統(tǒng)一表述；

·材料形貌信息的表述規(guī)范；

·晶體結構信息的表述規(guī)范；

·數據來源信息的表述規(guī)范。

4、預期的經濟社會效益

此標準在材料基因工程、稀土永磁合金等專業(yè)領域中進行推

廣應用，在相關專業(yè)領域中形成共識，科研人員以統(tǒng)一描述形式

記錄釤鈷基合金數據，使釤鈷基合金數據庫使用更加方便、高效。

更重要的是，以統(tǒng)一描述規(guī)范記錄、收集的釤鈷基合金數據，可

更準確地應用于數據驅動的稀土永磁合金的設計開發(fā)，由此提升

釤鈷基合金數據庫的服務水平，并推動高溫永磁合金相關產業(yè)的

持續(xù)發(fā)展。

5、與有關現行的方針、政策、法律、法規(guī)和強制性標準的關系

本標準為第一次制定，按照GB/T1.1—2009給出的規(guī)則起草。

本標準規(guī)定了《材料基因工程數據通則》下的用于數據驅動

材料設計的釤鈷基合金數據描述規(guī)范。

與現行的如下相關標準協(xié)調配套：

GB3100國際單位制及其應用

GB3101有關量、單位和符號的一般原則

GB3102.1空間和時間的量和單位

GB3102.3力學的量和單位

GB3102.4熱學的量和單位

GB3102.5電學和磁學的量和單位

GB/T7714參考文獻格式

T/CSTM00120-2018材料基因工程數據通則

6、對征求意見及重大分歧意見的處理經過和依據

如工作簡要過程中所述，本標準在準備立項申請、制訂標準

內容等過程中，與材料基因工程、計算材料學、稀土永磁材料、

標準制訂等多個領域的專家就標準（草案）的內容進行了大量討

論和交流。獲得了很多寶貴的建設性意見和建議，無重大分歧意

見。本標準制訂團隊充分考慮了專家們的意見和建議，不斷將標

準（草案）的內容和標準申請建議書進行多方面的修改完善。

7、貫徹標準的要求和措施建議

標準貫徹實施前，及時在公眾媒體、行業(yè)及相關信息平臺上

進行公開宣傳，并開展必要的培訓。標準制訂團隊和相關單位進

行貫標指導，組織標準培訓，由標準制訂人員主講，設立專門的

答疑或咨詢服務，為貫徹標準疏通途徑、解決問題。

8、標準涉及專利情況說明

無

9、重要內容的解釋和其它應予說明的事項

本標準編制說明隨附文件：

附件1：本標準涉及的釤鈷合金體系數據現狀調研報告

附件2：本標準制訂過程中部分修改說明記錄

附件1

關于Sm-Co合金體系基礎數據現狀的調研報告

1.Sm-Co體系永磁合金研究進展

能夠在高溫工況下（通常要求500℃以上）正常使用的永磁材料稱為高溫永

磁材料[1]，這種材料的需求雖然不多，但卻常常被用在最前沿的科技領域，例如

深空探測的離子推進器技術[2]、電動汽車的電力驅動技術[3]和國際熱核聚變實驗

堆（ITER）計劃[4]等。居里溫度表示材料磁性失效的溫度點，是高溫永磁材料的

[5]

重要衡量指標。在商業(yè)化的稀土永磁合金體系中，Fe14Nd2B合金的居里溫度僅

為312℃，即便添加昂貴的重金屬Dy或Tb也難以使其使用溫度繼續(xù)提高200℃，

而SmCo5合金和Sm2Co17合金的居里溫度分別為680℃和920℃，且Sm-Co基

合金均有著非常好的耐腐蝕性能，是目前高溫場合下首選永磁合金體系[1]。經過

大量的文獻調研發(fā)現，Sm-Co體系的相關研究主要集中在以三種化合物為基礎

的主線上，分別是SmCo5化合物、Sm2Co17化合物和以SmCo7化合物為代表的亞

穩(wěn)相合金體系，其研究熱度經谷歌學術搜索后統(tǒng)計如圖1所示。

圖1三種Sm-Co化合物歷年來的研究文獻數量變化比較

1.1以SmCo5化合物為基礎的研究

研究最為廣泛的SmCo5是第一代稀土永磁材料的典型化合物，具有CaCu5

型的晶體結構，屬于六方晶系，P6/mmm空間群[6]。相比于其他稀土元素，Sm

[7,8]

元素在這種晶體結構中能夠貢獻出最大的磁晶各向異性。由于SmCo5在眾多

的Sm-Co二元化合物中具有較為簡單的晶體結構單元（適于第一性原理等理論

研究[9]）和最易控制的制備條件（適于嘗試新的制備方法[10]），隨著其在大塊永磁

合金中的地位被性能更加優(yōu)異的2:17型合金取代后，其研究開始向更廣泛的方

向發(fā)展，這就是圖1所示的SmCo5相關研究在上世紀90年代重新熱起來的原因。

首先是磁性薄膜材料，通過磁控濺射的方法，越來越多的SmCo5體系薄膜被制

[11]

備出來。SmCo5薄膜由于其天然的高磁晶各向異性和高矯頑力，可以有效的克

服當前磁記錄材料在高密度存儲中的超順磁性難題。其次是磁性納米顆粒[12]，硬

磁相的SmCo5磁性納米顆粒在核磁成像、靶向藥物等應用方面前景廣闊。

1.2以Sm2Co17化合物為基礎的研究

Sm2Co17具有比SmCo5更高的居里溫度和飽和磁化強度，是2:17型稀土-Co

化合物中唯一具有高磁晶各向異性的化合物[6]。摻雜元素在該類合金磁性能的調

控中扮演了重要角色，不同的添加元素對于合金磁性能提高的機理不同，其效果

3

也不盡相同。例如添加Mn、Cr等合金化元素可使Sm2Co17獲得高達222kJ/m

的磁能積，其矯頑力機制為反磁化磁疇的形核與長大的臨界場控制，也就是形核

機制，而添加Fe、Cu等合金化元素，合金形成胞狀組織，在每個2:17相的周圍

產生了一層1:5相的薄層，強力地釘扎了疇壁運動，使得合金矯頑力大幅提升，

[13]

也就是釘扎機制。Sm2Co17型合金自誕生以來，研究人員通過各種添加元素擬

改善合金的磁性能，雖然Sm2Co17的磁性能獲得了進一步提高，然而，對于摻雜

元素的優(yōu)選，尚沒有成熟的理論來進行指導，其探索過程仍舊以“試錯”法為主。

由于Sm2Co17為基體的合金是當前高溫永磁合金體系的主流，人們對其研究主要

集中在應用開發(fā)，其相關研究熱度依然不減。

1.3以Sm-Co亞穩(wěn)相為基礎的研究

[14]

早在1973年，Y.Khan對Sm2Co17合金的高溫相進行了研究，發(fā)現在其實

驗中未經退火處理的Sm2Co17合金晶體結構與TbCu7型晶體結構類似，是一種無

序結構，并將其定性為亞穩(wěn)相。該物相有很高的內稟磁性能，其磁晶各向異性場

甚至高于釹鐵硼系和2:17型Sm-Co基合金，達10-18T，由于也屬于富Co化合

物，也有著較強的飽和磁化強度和較高的居里溫度，同時有著良好的矯頑力溫度

系數[15]。新世紀以來，為了進一步拓寬Sm-Co基高溫永磁合金的搜索空間，人

們開始嘗試從眾多的Sm-Co亞穩(wěn)相[16-18]中發(fā)掘新的合金體系。

亞穩(wěn)相在新材料的研究中可以扮演既重要又靈活的角色（例如鋼鐵中的馬氏

體），對于設計新型合金具有極為重要的意義。但與穩(wěn)定相的相關研究相比，充

分認識亞穩(wěn)相的成相規(guī)律及其對材料性能的影響，是一項非常艱難的挑戰(zhàn)。獲得

具有單一物相的亞穩(wěn)相，是認識該物相的基本條件，目前有兩種設計思路。一種

思路基于納米效應，通過創(chuàng)新的制備工藝使合金的晶粒尺寸降低到一定的尺寸以

[19]

下（例如1:7型物相的臨界晶粒尺寸為51nm），可以得到具有單相結構的SmCo7

合金[17,20-22]。晶粒尺寸的降低不但帶來了相穩(wěn)定性的改變，還使其矯頑力提高到

11.54kOe，剩磁比達到了0.67。另一種思路是通過摻雜元素來調控亞穩(wěn)相的相

穩(wěn)定性，進而獲得能夠在室溫下穩(wěn)定存在的具有TbCu7型純凈物相的合金。十余

年來，報道已有近二十種摻雜元素（Al,Si,Ti,V,Cu,Ge,Zr,Nb,Mo,In,Sn,Hf,Ta,

W,Re等）[23-49]，其中部分摻雜元素在特定的摻雜量下可以讓合金具有1:7單相。

研究人員試圖通過一些理論對摻雜元素影響SmCo7合金相組成的規(guī)律探討清楚，

但一直沒有突破。此外，雖然元素摻雜并非全部對相穩(wěn)定性的改變起到顯著的效

果，但幾乎都能讓磁性能發(fā)生變化，同樣的，這些元素對于磁性能變化的影響規(guī)

律，人們至今難以闡釋清楚。

究其難以突破的原因，可以歸結為以下幾點。首先，Sm-Co合金的制備流

程通常過于繁瑣，在一項研究中難以遍歷更多的摻雜元素，從而使人們每次的認

識都不全面。其次，Sm-Co合金的磁性對于制備過程中的影響因素極其敏感，

前序工藝中的實驗誤差對后續(xù)性能的表現產生了顯著影響，傳統(tǒng)的分析方法難以

發(fā)現其中錯綜復雜的關系。最后，不同的研究數據所使用的工藝參數、控制方法

并不統(tǒng)一，且整理難度極大，即便經驗豐富的學者也難以通過文獻調研做一個全

面的綜述。如何利用好這些已經得到的珍貴數據去指導新型高溫永磁材料研發(fā)成

為了一個亟待解決的問題。

綜上可知，Sm-Co合金是一種難以替代的高溫永磁合金，人們嘗試了大量

的方法努力進一步提高其磁性能，相關研究報道近年來呈指數增長，新的制備技

術和新的材料設計思路層出不窮。與研究數據的指數型增長相比，材料的性能提

升卻顯得非常有限，人們難以從已有文獻報道中整理出指導未來材料設計的有效

方案，造成至今該領域仍然需要依靠試錯法研制新型合金。其根本原因，在于該

領域研究數據未能得到充分應用從而難以利用其找到有價值的規(guī)律。為此，建立

針對Sm-Co體系的系統(tǒng)數據庫是促進領域改變試錯法快速有效發(fā)展的重要途徑。

2.Sm-Co合金基礎數據現狀

從上世紀六十年代發(fā)現SmCo5以來，有關Sm-Co合金的相關研究不斷開展，

半個世紀的積累使人們取得了大量的研究數據，這些數據既涵蓋了豐富的合金化

合物體系，又涵蓋了復雜的磁性能指標。

2.1Sm-Co合金種類及其數據規(guī)模

Sm-Co二元體系具有豐富的化合物種類，是整個Sm-Co永磁合金體系的研

究基礎。Sm-Co二元合金的研究始于上世紀六十年代，其誕生要歸功于當時大

規(guī)模開展的合金相圖構建工作[50]。Sm-Co二元相圖則在九十年代才得以完成，

但至今在一些化合物上還有爭議。如圖2所示是美國金屬協(xié)會在其相圖數據庫

中收錄的Sm-Co相圖，該相圖以K.H.J.Buschow[6,51,52]和K.L.Williams[53]的研究

工作為基礎，收錄了九種室溫穩(wěn)定相：?-Co、α-Sm2Co17、SmCo5-x（一些研究者

認為該相僅是高溫穩(wěn)定相）、α-Sm2Co7、Co4Sm9（一些研究者認為是Sm5Co2）、

Sm3Co、α-Sm。除此之外還有高溫穩(wěn)定相：α-Co、β-Sm2Co17、SmCo5-x、α-Sm5Co19、

β-Sm5Co19、β-Sm2Co7、β-Sm、γ-Sm等。其中，SmCo5的物相狀態(tài)就是一大爭

議焦點，上述相圖中將其作為一個室溫穩(wěn)定相，而在2011年Okamoto基于文

[54]

獻調研對Sm-Co相圖重新描繪，將SmCo5以一種室溫下會分解的高溫穩(wěn)定相

來處理，事實上許多低溫回火實驗也證實了SmCo5在室溫下將分解成相鄰的

Sm2Co17相和Sm2Co7相。近年來研究者通過優(yōu)化工藝或者添加元素的方法制備了

[18]

一些能夠在室溫下以單相形式存在的亞穩(wěn)相，例如SmCo7、SmCo9.8等，具有

開發(fā)成為新一代高溫永磁材料的潛力。北京工業(yè)大學宋曉艷教授研究團隊首次發(fā)

現并證實晶粒尺寸可以調控合金物相的相穩(wěn)定性[17,19,55,56]，隨后，提出了引入晶

粒尺寸因素的納米尺度Sm-Co相圖，在一定的晶粒尺寸下，這些亞穩(wěn)相也可成

為包含尺度效應的相圖中的穩(wěn)定相[19]。

圖2Co-Sm二元相圖

如圖3所示的是通過谷歌學術搜索引擎對各種配比的Sm-Co二元化合物進

行搜索后得到的結果數量，可反映過去人們對于每種Sm-Co化合物研究的熱度。

可見，研究人員對這些化合物的研究熱度差別很大，一些被發(fā)現有著較高磁性能

的二元化合物如SmCo5、Sm2Co17等與其他化合物有著數量級的差別。其他穩(wěn)定

相SmCo2、Sm2Co7等，其搜索結果往往是由于這種物相在相分解行為中的出現

而造成的關鍵詞匹配。除了傳統(tǒng)的穩(wěn)定相外，人們關注最多的是亞穩(wěn)相SmCo7，

該物相的成分組成處于第一代稀土永磁合金和第二代稀土永磁合金之間，被認為

有較大潛力開發(fā)成為新一代高溫永磁合金。

圖3谷歌學術搜索引擎中Sm-Co各化合物相關文獻結果數量

2.2Sm-Co合金磁性能指標體系

Sm-Co合金甚至所有的磁性材料數據共享的難點在于磁性指標體系的復雜

性，這種復雜性主要是由于磁性單位制的多樣性和檢測技術標準的多樣性造成的。

盡管國際上一直在推動國際單位制或測試方法的標準化進程，但在稀土永磁材料

行業(yè)內完成標準化的要求并不容易，一些非標準的單位制或測試方法能夠更習慣

甚至更方便的被使用。數據庫的建設須充分考慮行業(yè)內數據的客觀狀態(tài)，因此對

這種磁性指標體系的梳理是構建Sm-Co體系數據庫的重要環(huán)節(jié)，這里首先對單

位制和測試標準的背景做簡要介紹。

2.2.1永磁材料研究中常見的磁學單位制

(1)高斯單位制

由于缺乏系統(tǒng)的物理學認識，早期人們以各種各樣的相對單位制來表示磁學

中的各種物理量。直到19世紀初，出現了絕對靜電場單位制（Electrostaticunit,

簡稱esu）和絕對電磁場單位制（Electromagneticunit,簡稱emu）兩種被物理

學家認可的形式[57]。前者是通過庫侖定律，對電場中一系列物理學量進行定義的

單位制，規(guī)定了相距1cm且作用力為1dyn（1N=100000dyn）的兩個等量點電

荷分別具有1esu的電量。后者則是通過安培定律，對磁場中一系列物理學量進

行定義的單位制，規(guī)定了距離1cm的長度為1cm的等電流導線產生2dyn的作

用力，其電流的大小定義為1emu。1832年高斯從三個最基本的物理量（長度單

位厘米、質量單位克和時間單位秒）出發(fā)，結合絕對靜電單位制和絕對電磁單位

制創(chuàng)造了高斯單位制，根據其基本物理量的首字母也將這種單位制稱為CGS高

斯制[58]。

對于永磁材料而言，最重要的公式是該單位制對于磁化強度M（即單位體

積的磁矩）、磁感應強度B和外加磁場強度H之間關系和單位的定義，即：

π(1-1)

其中磁感應強度B的單位?