马普所&中南大学最新《Nature》：高强高塑、极低矫顽力合金！

软磁材料 (SMM) 用于电气应用和可持续能源供应，允许磁通量变化以响应外加磁场的变化，并且能量损失低。由于滞后损失，交通、家庭和制造业的电气化导致能源消耗增加。因此，最小化可扩大这些损失的矫顽力至关重要。然而，仅实现这一目标是不够的：电动发动机中的 SMM 必须承受严重的机械负载；也就是说，合金需要高强度和延展性。这是一个基本的设计挑战，因为大多数增强强度的方法都会引入可以固定磁畴的应力场，从而增加矫顽力和磁滞损耗。

在这里，来自中南大学的李志明&德国马普学会钢铁研究所的Dierk Raabe等研究者介绍了一种克服这种困境的方法：设计了一种 Fe-Co-Ni-Ta-Al 多元合金 (MCA)，它具有铁磁基体和顺磁性相干纳米颗粒（尺寸约为 91nm，体积分数约为 55%）。它们阻碍位错运动，增强强度和延展性。它们的小尺寸、低相干应力和小静磁能在磁畴壁宽度以下产生相互作用体积，导致畴壁钉扎最小化，从而保持软磁特性。该合金在 54% 的拉伸伸长率下具有 1,336 MPa 的抗拉强度、极低矫顽力中等饱和磁化强度和高电阻率。

相关论文以题为“A mechanically strong and ductile soft magnet with extremely low coercivity”于2022年08月10日发表在Nature上。

论文链接：

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

图1. M-MCA的显微结构和化学组成

图2. M-MCA塑性变形过程中的力学行为和纳米尺度过程

图3. 室温下MCAs的软磁响应和相关的Bloch壁运动行为

图4. 新的Fe32Co28Ni28Ta5Al7 (at.%) M-MCA材料的力学和磁性特征

总而言之，本文开发了一种高机械强度、高拉伸延展性、低矫顽力、中等饱和磁化强度 和高电阻率结合的材料。通过具有良好控制尺寸（91 nm）、磁性、相干应变、强度和界面能的纳米粒子分散体在一类新的体SMM中实现了这一点。该设计策略与传统 SMM 设计中普遍采用的策略相反。没有像传统 SMM 那样使用最小的微观结构特征（粒径 <15 nm）来避免磁壁钉扎，而是选择了具有调谐颗粒/基质界面相干应力和顺磁特性的相对粗糙的颗粒分散体，以最大限度地减少畴壁的磁钉扎一方面（软磁性），另一方面最大限度地提高与位错的相互作用强度（强度和延展性）。

MCA 的无限组成空间允许实现具有良好软磁和机械性能组合的材料。新的合金设计方法允许为暴露于严重机械负载的磁性部件定制 SMM，无论是在制造过程中和/或在服务期间，传统的 SMM 在机械上太软或太脆。未来开发先进磁性 MCA 的努力可以针对具有进一步改进的软磁性能（例如，更高的磁饱和度）的变体，同时以更低的合金成本保持其出色的机械性能，并使用结合计算技术的高通量实验，例如，机器学习，以加速新合金变体的发现。

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