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(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，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(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 91nm，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% 的拉伸伸長率下具有 1,336?MPa 的抗拉強(qiáng)度、極低矯頑力中等飽和磁化強(qiáng)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(yùn)動(dòng)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(jī)械強(qiáng)度、高拉伸延展性、低矯頑力、中等飽和磁化強(qiáng)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(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。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(cuò)的相互作用強(qiáng)度（強(qiáng)度和延展性）。

MCA 的無限組成空間允許實(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，無論是在制造過程中和/或在服務(wù)期間，傳統(tǒng)的 SMM 在機(jī)械上太軟或太脆。未來開發(fā)先進(jìn)磁性 MCA 的努力可以針對具有進(jìn)一步改進(jìn)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)。