近日，松山湖材料實(shí)驗(yàn)室研究員汪衛(wèi)華/柯海波團(tuán)隊(duì)和中國礦業(yè)大學(xué)教授楊衛(wèi)明團(tuán)隊(duì)合作，在國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助下，基于序調(diào)控策略成功制備出一種新型過渡結(jié)構(gòu)的Fe26Co25Ni25Al3Ta1Si2B18非晶基軟磁合金材料。7月13日，相關(guān)成果在線發(fā)表于《尖端科學(xué)》（Advanced Science）。
非晶基軟磁合金條帶的成分設(shè)計(jì)理念和序調(diào)控結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略。研究團(tuán)隊(duì)供圖，下同
論文共同通訊作者柯海波表示，該合金在非晶基體上彌散分布著均勻的納米尺度有序結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出0.3 A/m的超低矯頑力、13200@1 kHz的高磁導(dǎo)率、1 T的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度等優(yōu)異軟磁性能，同時(shí)還展示出顯著的塑性變形能力，能夠在退完火后彎曲180°不斷裂，因此兼具有優(yōu)異力學(xué)-軟磁協(xié)同性能。
軟磁材料具有低矯頑力、高磁導(dǎo)率等特性，在電力電子系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換、傳輸與存儲中發(fā)揮著不可替代的作用。20世紀(jì)60年代興起的非晶態(tài)軟磁合金材料，是軟磁材料發(fā)展歷史上的重要突破，兼具有極低矯頑力、高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、超高初始磁導(dǎo)率以及優(yōu)異磁致伸縮等特性。在此基礎(chǔ)上，1988年日立金屬開發(fā)了FeSiBNbCu納米晶軟磁合金，通過精確控制非晶基體中納米晶相的析出，突破了常規(guī)非晶合金磁導(dǎo)率與矯頑力性能優(yōu)化的極限，將軟磁材料的性能提升到新的高度，然而其力學(xué)性能特別是塑性變形能力仍顯不足。
過渡態(tài)非晶基軟磁合金條帶的微觀結(jié)構(gòu)。
近些年，高熵軟磁材料因其獨(dú)特的力磁耦合特性而備受關(guān)注。然而，與非晶基材料相比，高熵軟磁合金的軟磁性能特別是矯頑力仍有待改善。因此，當(dāng)前軟磁合金材料面臨的困境在于難以同時(shí)兼具非晶/納米晶合金的優(yōu)異軟磁性能與高熵合金卓越的力學(xué)性能。這種性能失衡現(xiàn)狀迫切要求開發(fā)新型軟磁材料，以實(shí)現(xiàn)高磁導(dǎo)率、低矯頑力等軟磁特性與高強(qiáng)度、高韌性等力學(xué)性能的有機(jī)統(tǒng)一，滿足現(xiàn)代電力電子器件對多功能集成軟磁材料的迫切需求。
研究團(tuán)隊(duì)在FeCoNiAlTa高熵合金體系的基礎(chǔ)上通過添加Si和B元素來提高合金的玻璃形成能力，以形成完全非晶的前驅(qū)體。隨后，基于序調(diào)控策略，通過在結(jié)晶溫度附近控制退火溫度和時(shí)間構(gòu)建出介于非晶態(tài)和有序晶態(tài)之間過渡結(jié)構(gòu)。該過渡結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)鐵基非晶條帶退火處理時(shí)析出體積百分比>70%的細(xì)小均勻納米晶體的沉淀不同，表現(xiàn)為少量的BCC納米晶體沉淀。三維原子探針（3D-APT）實(shí)驗(yàn)可清楚觀察到許多富鐵納米晶粒（<2 nm），與TEM確定的團(tuán)簇尺寸一致。頻率分布分析證實(shí)了Fe和Co的成分偏析，而二維等值線圖同時(shí)證實(shí)了這些元素的非均勻分布。這種新型Fe26Co25Ni25Al3Ta1Si2B18過渡態(tài)非晶基軟磁薄帶材料，表現(xiàn)出0.3 A/m的超低矯頑力，優(yōu)于目前所有已報(bào)道的FeCoNi基高熵軟磁合金，同時(shí)具有較高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度（1T），實(shí)現(xiàn)了矯頑力和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的有效權(quán)衡。
過渡態(tài)非晶基軟磁合金軟磁性特性及傳統(tǒng)FeCoNi基軟磁合金匯總對比圖。
值得一提的是，該材料同時(shí)兼具優(yōu)異的塑性變形能力，退火后的合金薄帶能夠在任何角度彎曲180°而不會(huì)斷裂。微柱壓縮實(shí)驗(yàn)和原子力顯微鏡均可以觀察到多重剪切帶的塑性強(qiáng)化現(xiàn)象。此外，采用洛倫茲TEM和磁光克爾顯微鏡觀察了過渡態(tài)非晶基軟磁薄帶磁疇的運(yùn)動(dòng)情況，揭示了其優(yōu)異軟磁性能的磁結(jié)構(gòu)起源。研究發(fā)現(xiàn)，隨著磁場的增加，疇壁平滑移動(dòng)，當(dāng)磁場方向反轉(zhuǎn)時(shí)，疇壁沿相反方向平滑移動(dòng)，沒有出現(xiàn)明顯的釘扎效應(yīng)。這種稀疏精細(xì)的過渡態(tài)結(jié)構(gòu)，使條帶樣品具有較低的磁晶各向異性，同時(shí)通過退火可以消除條帶樣品中的殘余應(yīng)力，降低了磁彈性各向異性，因而樣品表現(xiàn)出極低的矯頑力特性。
基于序調(diào)控策略創(chuàng)制兼具優(yōu)異塑性變形能力和軟磁特性的非晶基軟磁合金材料，該研究為高性能軟磁材料的探索提供了新見解與新路徑，并為復(fù)雜工況下電子電力功率功能器件提供了新的候選材料。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1002/advs.202503546
不同狀態(tài)非晶基軟磁合金條帶力學(xué)性能。不同狀態(tài)非晶基軟磁合金條帶磁疇運(yùn)動(dòng)過程。
本文鏈接：學(xué)者開發(fā)兼具優(yōu)異力/磁特性的非晶基軟磁合金材料http://www.sq15.cn/show-11-23570-0.html
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