研究背景

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。

研究创新

该论文研究设计了一种 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。

M-MCA 的微观结构和化学成分 | 图源：Nature

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、78 A m⁻¹（小于 1 Oe）的极低矫顽力、100 A m² kg⁻¹ 的中等饱和磁化强度和 103 μΩ cm 的高电阻率。

尽可能低的矫顽力和尽可能高的电阻率是 SMM 的主要目标，以减少迟滞相关和涡流相关的能量损失、噪声和相关的材料损坏。此外，还需要具有更高强度和延展性的新型 SMM，以便在对运输和能源中的安全关键部件的机械要求苛刻的负载条件下运行。高强度和延展性也可作为许多其他机械性能的衡量标准，例如高硬度和断裂韧性。这种多属性配置要求造成了一个根本性的困境。

金属材料的机械强度是由晶格缺陷及其与线性晶格断层的弹性相互作用产生的，这些断层带有非弹性变形，称为位错。然而，这些缺陷也会与磁畴壁相互作用并固定它们。畴壁运动的损失增加了矫顽力，从而使材料失去了软磁特性。因此，当前的 SMM 遵循避免晶格缺陷以最小化矫顽力的设计规则。另一方面，提高合金的机械强度需要通过位错、晶界和析出物等缺陷来提高其内应力水平。这意味着使软磁体具有机械强度的任务是两种相互排斥的设计策略之间的权衡，即机械强度与不受影响的畴壁运动。

对于纳米晶体材料，矫顽力的晶粒尺寸依赖性理论表明其与晶粒尺寸的六次方成正比，这种关系也可以应用于颗粒。因此，目前 SMM 的设计重点是使用小颗粒（小于 15 nm）和晶粒尺寸（小于 100 nm）。根据磁应变理论，矫顽力取决于位移畴壁以克服晶格势垒所需的能量。在这里，将粒子引入到多组分块状固溶体基质中，并将其尺寸从常用的 5-15 nm 范围增加到 90-100 nm。这样，内部应力水平和整体弹性相干失配能量通过由粗化引起的颗粒较小的比表面积（每单位体积的总表面积）降低。

M-MCA 塑性应变过程中的机械行为和纳米级过程 | 图源：Nature

这些不同的机制考虑必须转化为相应的成分合金设计概念。

这主要受以下要求的指导：

(1) 铁磁矩阵；

(2) 高固溶体贡献和触发形成的组分；

(3) 强而稳定的金属间相；

(4) 相对于矩阵的小晶格失配。这些考虑将研究人员引向了非等原子铁-镍-钴-钽-铝 (Fe₃₂.₆Ni₂₇.₇Co₂₇.₇Ta₅.₀Al₇.₀ (at.%)) MCA。

该研究在真空感应熔炼炉中合成材料，然后进行常规热轧和均质化。通过进一步的等温热处理（在 1,173 K 下 1-100 h），制备了具有不同平均粒径的样品，范围从 24 ± 15 nm 到 255 ± 49 nm，颗粒具有 L12 结构和复杂的组成。

该研究设计了一种 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、78 A m⁻¹（小于 1 Oe）的极低矫顽力、100 A m² kg⁻¹ 的中等饱和磁化强度和 103 μΩ cm 的高电阻率。

论文链接：

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

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