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硬核！中南大學(xué)重磅Nature！高強(qiáng)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(lái)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(chǎng)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(kuò)大這些損失的矯頑力至關(guān)重要。然而，僅實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)是不夠的：電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)中的 SMM 必須承受嚴(yán)重的機(jī)械負(fù)載；也就是說(shuō)，合金需要高強(qiáng)度和延展性. 這是一個(gè)基本的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)增強(qiáng)強(qiáng)度的方法都會(huì)引入應(yīng)力場(chǎng)，這些應(yīng)力場(chǎng)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?cè)O(shè)計(jì)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?jǐn)?shù)約為 55%）。它們阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)強(qiáng)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(zhǎng)率下具有1336 MPa的拉伸強(qiáng)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(qiáng)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(biāo)，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(qiáng)度和延展性的新型 SMM，以便在對(duì)運(yùn)輸和能源中的安全關(guān)鍵部件的機(jī)械要求苛刻的負(fù)載條件下運(yùn)行。高強(qiáng)度和延展性也可作為許多其他機(jī)械性能的衡量標(biāo)準(zhǔn)，例如高硬度和斷裂韌性. 這種多屬性配置文件造成了一個(gè)根本性的困境。金屬材料的機(jī)械強(qiáng)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(cuò)。然而，這些缺陷也會(huì)與磁疇壁相互作用并固定它們。疇壁運(yùn)動(dòng)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(jì)規(guī)則，以盡量減少矯頑力。另一方面，提高合金的機(jī)械強(qiáng)度需要通過(guò)位錯(cuò)、晶界和析出物等缺陷來(lái)提高其內(nèi)應(yīng)力水平. 這意味著使軟磁體具有機(jī)械強(qiáng)度的任務(wù)是兩種相互排斥的設(shè)計(jì)策略之間的權(quán)衡，即機(jī)械強(qiáng)度與不受影響的疇壁運(yùn)動(dòng)。

矯頑力的晶粒尺寸依賴性理論表明，對(duì)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(jì)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(shì)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(guò)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(jì)必須遵循四個(gè)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(qiáng)釘扎，即強(qiáng)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(qiáng)度；因此，通常不包括反鐵磁元素。第四，合金的強(qiáng)化取決于位錯(cuò)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(cuò)上的摩擦力。因此，目標(biāo)是具有最小晶格失配的本質(zhì)強(qiáng)金屬間化合物顆粒。這些需要很高的力來(lái)進(jìn)行位錯(cuò)切割（提供強(qiáng)度），但是通過(guò)隨后由同一源發(fā)出的位錯(cuò)進(jìn)行的重復(fù)切割會(huì)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(tuán)隊(duì)聯(lián)合德國(guó)馬普所DierkRaabe院士團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種克服上述困境的方法。他們?cè)O(shè)計(jì)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?jǐn)?shù)約為55%）。通過(guò)改變加熱時(shí)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(qiáng)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(zhǎng)率下具有1336 MPa的拉伸強(qiáng)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(qiáng)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(jī)制考慮必須轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的成分合金設(shè)計(jì)概念。這主要受以下要求的指導(dǎo)：(1) 具有 (2) 高固溶體貢獻(xiàn)的鐵磁基體和觸發(fā)形成 (3) 具有 (4) 相對(duì)于基體小的晶格失配的強(qiáng)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?cè)谡婵崭袘?yīng)熔煉爐中合成材料，然后進(jìn)行常規(guī)熱軋和均質(zhì)化（詳細(xì)的加工程序和化學(xué)成分見方法）。通過(guò)進(jìn)一步的等溫?zé)崽幚恚ㄔ?1,173 K 下 1-100 小時(shí)），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(zhǎng)度用于表征拓?fù)淞剑ｎw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(wú)限組成空間允許實(shí)現(xiàn)具有良好軟磁和機(jī)械性能組合的材料。新的合金設(shè)計(jì)方法允許為暴露于嚴(yán)重機(jī)械負(fù)載的磁性部件定制 SMM，無(wú)論是在制造過(guò)程中和/或在服務(wù)期間，傳統(tǒng)的 SMM 在機(jī)械上太軟或太脆。未來(lái)開發(fā)先進(jìn)磁性 MCA 的努力可以針對(duì)具有進(jìn)一步改善的軟磁性能（例如，更高的磁飽和度）的變體，同時(shí)以更低的合金成本保持其出色的機(jī)械性能，并使用結(jié)合計(jì)算技術(shù)的高通量實(shí)驗(yàn)，例如，機(jī)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(guò)程中的機(jī)械行為和納米級(jí)過(guò)程。在室溫下測(cè)量的典型工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，以及極限抗拉強(qiáng)度 ( σ UTS ) 和斷裂伸長(zhǎng)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(xì)小凹坑的韌性斷裂。c，中斷拉伸試驗(yàn)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(cuò)誤的分布（上圖；比例尺，50 μm），其中εT代表全局真實(shí)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(shuō)明了塑性應(yīng)變過(guò)程中 M-MCA 中的微帶細(xì)化。

圖 3：室溫下 MCA 的軟磁響應(yīng)和相關(guān)的 Bloch 壁運(yùn)動(dòng)行為。a , 遲滯回線 ( M / H ) 獲得高達(dá) ±800 kA m -1。磁場(chǎng)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(qiáng)度的放大圖。b，在±50 kA m -1之間以0.1 kA m -1的速率測(cè)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(guò)程。施加的磁場(chǎng)與觀察平面水平。d，在不同等溫?zé)崽幚項(xiàng)l件下（1173 K 下 1-100 小時(shí)）所有 MCA 的統(tǒng)計(jì)粒度分布。插圖顯示了通過(guò) ECCI 探測(cè)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(jī)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(jī)械強(qiáng)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(qiáng)度 (100 Am^2?公斤-1) 和高電阻率 (103 μΩ cm)。我們通過(guò)具有良好控制的尺寸（91 nm）、磁性、相干應(yīng)變、強(qiáng)度和界面能的納米粒子分散體在一類新的體 SMM 中實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。該設(shè)計(jì)策略與傳統(tǒng) SMM 設(shè)計(jì)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(lái)避免磁壁釘扎，而是選擇了相對(duì)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(cuò)的相互作用強(qiáng)度（強(qiáng)度和延展性）。

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