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,最小化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可以固定磁疇的應(yīng)力場,從而增加矯頑力和磁滯損耗。
在這里,來自中南大學(xué)的李志明&德國馬普學(xué)會鋼鐵研究所的Dierk Raabe等研究者介紹了一種克服這種困境的方法: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 91nm,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 1,336?MPa 的抗拉強度、極低矯頑力中等飽和磁化強度和高電阻率。
相關(guān)論文以題為“A mechanically strong and ductile soft magnet with extremely low coercivity”于2022年08月10日發(fā)表在Nature上。
論文鏈接:
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04935-3
圖1. M-MCA的顯微結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成
圖2. M-MCA塑性變形過程中的力學(xué)行為和納米尺度過程
圖3. 室溫下MCAs的軟磁響應(yīng)和相關(guān)的Bloch壁運動行為
圖4. 新的Fe32Co28Ni28Ta5Al7 (at.%) M-MCA材料的力學(xué)和磁性特征
總而言之,本文開發(fā)了一種高機械強度、高拉伸延展性、低矯頑力、中等飽和磁化強度 和高電阻率結(jié)合的材料。通過具有良好控制尺寸(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。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,而是選擇了具有調(diào)諧顆粒/基質(zhì)界面相干應(yīng)力和順磁特性的相對粗糙的顆粒分散體,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)。
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進的軟磁性能(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)。
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