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硬核！中南大學(xué)重磅Nature！高強度、高延伸率多元合金再獲突破！

2022-08-11 13:57:13 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

導(dǎo)讀：軟磁材料 (SMM) 用于電氣應(yīng)用和可持續(xù)能源供應(yīng)，允許磁通量變化以響應(yīng)外加磁場的變化，并且能量損失低。由于滯后損失，交通、家庭和制造業(yè)的電氣化導(dǎo)致能源消耗增加。因此，最大限度地減少可擴大這些損失的矯頑力至關(guān)重要。然而，僅實現(xiàn)這一目標是不夠的：電動發(fā)動機中的 SMM 必須承受嚴重的機械負載；也就是說，合金需要高強度和延展性. 這是一個基本的設(shè)計挑戰(zhàn)，因為大多數(shù)增強強度的方法都會引入應(yīng)力場，這些應(yīng)力場可以固定磁疇，從而增加矯頑力和磁滯損耗。在這里，我們介紹一種克服這種困境的方法。我們設(shè)計了一種 Fe-Co-Ni-Ta-Al 多元合金 (MCA)，它具有鐵磁基體和順磁性相干納米顆粒（尺寸約為 91 nm，體積分數(shù)約為 55%）。它們阻礙位錯運動，增強強度和延展性。它們的小尺寸、低相干應(yīng)力和小靜磁能在磁疇壁寬度以下產(chǎn)生相互作用體積，導(dǎo)致疇壁釘扎最小化，從而保持軟磁特性。該合金在54%的拉伸伸長率下具有1336 MPa的拉伸強度，78 A m-1的極低矯頑力（小于1Oe），100 A m2 kg-1的中等飽和磁化強度和103 μΩ cm的高電阻率。

盡可能低的矯頑力和盡可能高的電阻率是 SMM 的主要目標，以減少遲滯相關(guān)和渦流相關(guān)的能量損失、噪聲和相關(guān)的材料損壞。此外，還需要具有更高強度和延展性的新型 SMM，以便在對運輸和能源中的安全關(guān)鍵部件的機械要求苛刻的負載條件下運行。高強度和延展性也可作為許多其他機械性能的衡量標準，例如高硬度和斷裂韌性. 這種多屬性配置文件造成了一個根本性的困境。金屬材料的機械強度是由晶格缺陷及其與線性晶格斷層的彈性相互作用產(chǎn)生的，這些斷層帶有非彈性變形，稱為位錯。然而，這些缺陷也會與磁疇壁相互作用并固定它們。疇壁運動的損失增加了矯頑力，從而使材料失去了軟磁特性。因此，當(dāng)前的 SMM 遵循避免晶格缺陷的設(shè)計規(guī)則，以盡量減少矯頑力。另一方面，提高合金的機械強度需要通過位錯、晶界和析出物等缺陷來提高其內(nèi)應(yīng)力水平. 這意味著使軟磁體具有機械強度的任務(wù)是兩種相互排斥的設(shè)計策略之間的權(quán)衡，即機械強度與不受影響的疇壁運動。

矯頑力的晶粒尺寸依賴性理論表明，對于納米晶體材料，其與晶粒尺寸的六次方成正比，該關(guān)系也可應(yīng)用于顆粒。因此，目前 SMM 的設(shè)計集中在使用小顆粒（小于 15 nm）和晶粒尺寸（小于 100 nm）。根據(jù)磁應(yīng)變理論，矯頑力取決于位移疇壁以克服晶格勢壘所需的能量. 在這里，我們將粒子引入到多組分塊狀固溶體基質(zhì)中，并將其尺寸從常用的 5-15 nm 范圍增加到 90-100 nm。這樣，內(nèi)部應(yīng)力水平和整體彈性相干失配能通過由粗化引起的顆粒較小的比表面積（每單位體積的總表面積）降低。然后我們建議粒子設(shè)計必須遵循四個主要規(guī)則。首先，疇壁的最小釘扎需要良好調(diào)節(jié)和良好控制的粒度分布，在顆粒粗化期間比表面積的減少和靜磁能的增加之間具有最佳平衡。其次，粒徑必須保持小于疇壁寬度，以防止強釘扎，即強抗自旋旋轉(zhuǎn)8 . 第三，顆粒的化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)決定了它們的飽和磁化強度；因此，通常不包括反鐵磁元素。第四，合金的強化取決于位錯和顆粒之間的相互作用以及施加在塊狀固溶體基體中位錯上的摩擦力。因此，目標是具有最小晶格失配的本質(zhì)強金屬間化合物顆粒。這些需要很高的力來進行位錯切割（提供強度），但是通過隨后由同一源發(fā)出的位錯進行的重復(fù)切割會沿著剩余的并逐漸減小的顆粒橫截面逐漸輕松地剪切它們（提供延展性）。

中南大學(xué)李志明團隊聯(lián)合德國馬普所DierkRaabe院士團隊報道了一種克服上述困境的方法。他們設(shè)計了一種Fe-Co-Ni-Ta-Al多元合金(MCA)，它具有鐵磁基體和順磁性相干納米顆粒（尺寸約為91 nm，體積分數(shù)約為55%）。通過改變加熱時間，作者改變了沉淀顆粒的大小，從小型（24 nm）到中型（91 nm）和大型（255 nm）(圖2)。中等大小的沉淀物產(chǎn)生了高強度、高延展性（因此也是韌性）和低矯頑力的最佳組合。該合金在54%的拉伸伸長率下具有1336 MPa的拉伸強度，78 A m-1的極低矯頑力（小于1Oe），100 A m2 kg-1的中等飽和磁化強度和103 μΩ cm的高電阻率。相關(guān)研究成果以題為“A mechanically strong and ductile soft magnet with extremely low coercivity”發(fā)表在最新一期《Nature》上，第一作者為Han Liuliu。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04935-3

這些不同的機制考慮必須轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的成分合金設(shè)計概念。這主要受以下要求的指導(dǎo)：(1) 具有 (2) 高固溶體貢獻的鐵磁基體和觸發(fā)形成 (3) 具有 (4) 相對于基體小的晶格失配的強而穩(wěn)定的金屬間相的成分。這些考慮使我們產(chǎn)生了非等原子鐵-鎳-鈷-鉭-鋁（Fe 32.6 Ni 27.7 Co 27.7 Ta 5.0 Al 7.0（at.%））MCA。我們在真空感應(yīng)熔煉爐中合成材料，然后進行常規(guī)熱軋和均質(zhì)化（詳細的加工程序和化學(xué)成分見方法）。通過進一步的等溫?zé)崽幚恚ㄔ?1,173 K 下 1-100 小時），我們制備了具有不同平均粒徑的樣品，范圍從 24 ± 15 nm 到 255 ± 49 nm（邊緣長度用于表征拓撲粒徑）。顆粒具有L1 2結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的組成，

圖 1：M-MCA 的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分。

MCA 的無限組成空間允許實現(xiàn)具有良好軟磁和機械性能組合的材料。新的合金設(shè)計方法允許為暴露于嚴重機械負載的磁性部件定制 SMM，無論是在制造過程中和/或在服務(wù)期間，傳統(tǒng)的 SMM 在機械上太軟或太脆。未來開發(fā)先進磁性 MCA 的努力可以針對具有進一步改善的軟磁性能（例如，更高的磁飽和度）的變體，同時以更低的合金成本保持其出色的機械性能，并使用結(jié)合計算技術(shù)的高通量實驗，例如，機器學(xué)習(xí)，以加速新合金變體的發(fā)現(xiàn)。

圖 2：M-MCA 塑性應(yīng)變過程中的機械行為和納米級過程。在室溫下測量的典型工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，以及極限抗拉強度 ( σ UTS ) 和斷裂伸長率 ( ε f ) 的平均值。b，應(yīng)變硬化率/真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。插圖顯示了拉伸樣品的宏觀圖像（頂部插圖；比例尺，1 cm）和相應(yīng)的斷裂形態(tài)（底部插圖；比例尺，5 μm），其中觀察到典型的帶有細小凹坑的韌性斷裂。c，中斷拉伸試驗后觀察到的作為全局應(yīng)變函數(shù)的子結(jié)構(gòu)演化：EBSD-KAM 圖顯示了變形引起的取向錯誤的分布（上圖；比例尺，50 μm），其中εT代表全局真實應(yīng)變；ECCI 分析（中間圖像；比例尺，100 nm）顯示微帶的演變；L1 2粒子的剪切用紅色箭頭突出顯示；示意圖（下圖）說明了塑性應(yīng)變過程中 M-MCA 中的微帶細化。

圖 3：室溫下 MCA 的軟磁響應(yīng)和相關(guān)的 Bloch 壁運動行為。a , 遲滯回線 ( M / H ) 獲得高達 ±800 kA m -1。磁場掃描速率為1 kA m -1。插圖顯示了隨著顆粒粗化而增加的飽和磁化強度的放大圖。b，在±50 kA m -1之間以0.1 kA m -1的速率測量的M / H曲線，顯示出極低的矯頑力。c，MOKE顯微鏡觀察，縱向?qū)Ρ龋@示磁化過程。施加的磁場與觀察平面水平。d，在不同等溫?zé)崽幚項l件下（1173 K 下 1-100 小時）所有 MCA 的統(tǒng)計粒度分布。插圖顯示了通過 ECCI 探測的粒度演變。

圖 4：新型 Fe 32 Co 28 Ni 28 Ta 5 Al 7 (at.%) M-MCA 材料中結(jié)合的機械和磁性特征。

總而言之，我們開發(fā)了一種結(jié)合了迄今為止相互排斥的特性的材料，即高機械強度 (1,336 MPa)、高拉伸延展性 (54%)、低矯頑力 (78 A m^-1 )、中等飽和磁化強度 (100 Am^2?公斤-1) 和高電阻率 (103 μΩ cm)。我們通過具有良好控制的尺寸（91 nm）、磁性、相干應(yīng)變、強度和界面能的納米粒子分散體在一類新的體 SMM 中實現(xiàn)了這一點。該設(shè)計策略與傳統(tǒng) SMM 設(shè)計中普遍采用的策略相反。我們沒有像傳統(tǒng) SMM 那樣使用最小的微觀結(jié)構(gòu)特征（粒徑 <15 nm）來避免磁壁釘扎，而是選擇了相對粗糙的顆粒分散體，具有調(diào)諧的顆粒/基質(zhì)界面相干應(yīng)力和順磁性，以最大限度地減少疇壁的磁釘扎一方面（軟磁性），另一方面最大限度地提高與位錯的相互作用強度（強度和延展性）。

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