Механически прочный и пластичный мягкий магнит с чрезвычайно низкой коэрцитивной силой.

Nature, том 608, страницы 310–316 (2022 г.) Процитировать эту статью

19 тысяч доступов

42 цитаты

79 Альтметрика

Подробности о метриках

Магнитомягкие материалы (СММ) используются в электротехнике и устойчивом энергоснабжении, позволяя изменять магнитный поток в ответ на изменения приложенного магнитного поля при низких потерях энергии1. Электрификация транспорта, домашнего хозяйства и производства приводит к увеличению энергопотребления за счет гистерезисных потерь2. Поэтому решающее значение имеет минимизация принуждения, которое масштабирует эти потери3. Однако достижения одной этой цели недостаточно: СММ в электрических двигателях должны выдерживать серьезные механические нагрузки; то есть сплавы нуждаются в высокой прочности и пластичности4. Это фундаментальная проблема проектирования, поскольку большинство методов повышения прочности создают поля напряжений, которые могут закреплять магнитные домены, тем самым увеличивая коэрцитивную силу и потери на гистерезис5. Здесь мы представляем подход к преодолению этой дилеммы. Нами разработан многокомпонентный сплав (МКС) Fe–Co–Ni–Ta–Al с ферромагнитной матрицей и парамагнитными когерентными наночастицами (размером около 91 нм и объемной долей около 55%). Они препятствуют движению дислокаций, повышая прочность и пластичность. Их небольшой размер, низкое когерентное напряжение и небольшая магнитостатическая энергия создают объем взаимодействия ниже ширины магнитной доменной границы, что приводит к минимальному закреплению доменной стенки и сохранению магнитомягких свойств. Сплав имеет предел прочности 1336 МПа при относительном удлинении 54 %, чрезвычайно низкую коэрцитивную силу 78 А·м-1 (менее 1 Э), умеренную намагниченность насыщения 100 А·м2·кг-1 и высокое электросопротивление 103 мкОм·см.

Минимально возможная коэрцитивность и максимально возможное электрическое сопротивление являются основными целями SMM, чтобы уменьшить потери энергии, связанные с гистерезисом и вихревыми токами, шум и связанное с этим повреждение материала1,2,3. Кроме того, необходимы новые SMM с более высокой прочностью и пластичностью для работы в механически сложных условиях нагрузки для критически важных с точки зрения безопасности деталей на транспорте и в энергетике4. Высокая прочность и пластичность также служат показателями многих других механических свойств, таких как высокая твердость5 и вязкость разрушения6. Этот профиль с несколькими объектами недвижимости создает фундаментальную дилемму. Механическая прочность металлических материалов создается дефектами решетки и их упругим взаимодействием с линейными дефектами решетки, несущими неупругую деформацию, называемыми дислокациями. Однако дефекты также взаимодействуют с магнитными доменными стенками и закрепляют их. Потеря движения доменной стенки увеличивает коэрцитивность, в результате чего материалы теряют свои магнитомягкие свойства. Таким образом, современные SMM следуют правилу проектирования, позволяющему избегать дефектов решетки для минимизации коэрцитивной силы7. С другой стороны, увеличение механической прочности сплава требует повышения уровня его внутреннего напряжения за счет таких дефектов, как дислокации, границы зерен и выделения8. Это означает, что задача создания механически прочных мягких магнитов представляет собой компромисс между двумя взаимоисключающими стратегиями проектирования, а именно: механической прочностью и незатронутым движением доменной стенки.

Теория зависимости коэрцитивной силы от размера зерна9 показывает ее пропорциональность шестой степени размера зерна для случая нанокристаллических материалов, соотношение, которое также можно применить к частицам10. Таким образом, нынешний дизайн СММ сосредоточен на использовании мелких частиц (менее 15 нм)10,11 и размеров зерен (менее 100 нм)12,13,14. Согласно теории магнитной деформации, коэрцитивность зависит от энергии, необходимой для смещения доменных границ для преодоления барьеров решетки15. Здесь мы вводим частицы в многокомпонентную массивную матрицу твердого раствора и увеличиваем их размер от обычно используемого диапазона 5–15 нм до 90–100 нм. При этом уровень внутренних напряжений и общая энергия несоответствия упругой когерентности снижаются за счет меньшей удельной поверхности (суммарной площади поверхности на единицу объема) частиц, вызванной укрупнением. Затем мы предполагаем, что дизайн частиц должен следовать четырем основным правилам. Во-первых, минимальное закрепление доменных границ требует хорошо настроенного и контролируемого распределения частиц по размерам с оптимальным балансом между уменьшением удельной поверхности и увеличением магнитостатической энергии при укрупнении частиц. Во-вторых, размер частиц должен оставаться меньше ширины доменной стенки, чтобы предотвратить сильный пиннинг, то есть сильное сопротивление вращению спина8. В-третьих, химический состав и кристаллическая структура частиц определяют их намагниченность насыщения; поэтому антиферромагнитные элементы обычно исключаются. В-четвертых, упрочнение сплавов определяется взаимодействием дислокаций с частицами, а также силами трения, действующими на дислокации в матрице массивного твердого раствора. Таким образом, целью являются изначально прочные интерметаллические частицы с минимальным несоответствием решетки. Они требуют больших усилий для дислокационного разрезания (обеспечения прочности), но повторное разрезание последующими дислокациями, испускаемыми тем же источником, с постепенной легкостью сдвигает их вдоль оставшихся и постепенно уменьшающихся сечений частиц (обеспечивая пластичность).