調和機械性能與軟磁性能間矛盾 這種合金實現“魚與熊掌兼得”

對於在應力載入條件下服役的軟磁合金部件，除了要具備優良軟磁性能外，機械性能也非常重要。但大多數提高合金機械強度的方法，都會降低軟磁性能。對此，我們設計了一種Fe-Co-Ni-Ta-Al多組元合金，解決這對“冤家”之間的矛盾。

李志明 中南大學材料科學與工程學院教授

世界上是否存在一種能有效解決金屬材料機械性能和軟磁性能間矛盾的材料？

答案是：以前沒有，但現在有了。

9月14日，科技日報記者從中南大學獲悉，該校材料科學與工程學院教授李志明，在與德國馬普所Dierk Raabe教授等研究人員的一項合作研究中，獲得了一種集高機械強度、高拉伸延展性、低矯頑力、中等飽和磁化強度和高電阻率等諸多性能于一體的多組元軟磁合金。

“高性能軟磁合金是電氣應用領域的關鍵材料。對於在應力載入條件下服役的軟磁合金部件，除了要具備優良軟磁性能（如低矯頑力、高飽和磁化強度）外，機械性能（如強度、塑性）也非常重要。但大多數提高合金機械強度的方法，都會降低軟磁性能。對此，我們設計了一種Fe-Co-Ni-Ta-Al多組元合金，解決這對‘冤家’之間的矛盾。我相信，這種合金體系在未來高性能軟磁部件中，會有重要的應用價值。”李志明説。

該項最新研究成果日前發表于國際權威雜誌《自然》。

亟須開發新一代高強韌性軟磁材料

經常被應用於高大上領域的軟磁材料，在日常生活中也很常見。

在中學課本中，有這麼一個小實驗。

老師將鐵屑撒在一張紙上，隨意搖晃著。這些鐵屑也隨著老師的搖晃，在紙上變換著姿態。

此時，老師在紙下放置一根條形磁鐵，再重復上述過程，這些鐵屑就立刻變得“規矩”起來——排列成磁力線的形狀。

這是中學時候，大家對磁的第一次認知。但大家未必知道，鐵就是一種軟磁材料。它們被磁鐵的磁場“控制”時，很容易被磁化。但當磁場移除時，它們又很容易“變節”——退磁。

在科學上，軟磁材料被定義為能迅速響應外加磁場變化，且能低損耗獲得高磁通密度的一種材料。反之，經磁化後不易退磁，甚至可以作為外加磁場的材料（如上述例子中的磁鐵），則被稱為硬磁材料。

軟磁材料具有低矯頑力、高磁導率和高飽和磁化強度等特點，因而被廣泛應用於電力工業和電子設備中。特別是，隨著我國新基建等有關政策的推行和落地，軟磁材料在光伏發電、新能源汽車及充電樁、數據中心、消費電子等領域的需求會越來越大。

“軟磁材料是現在種類最多的一類磁性材料。它的發展可以追溯到100多年以前。但隨著新能源汽車行業的蓬勃發展，電機內部高速轉子等軟磁材料部件需要擁有更高的強度，來防止其在高離心力下發生永久變形。這意味著，亟須開發新一代具備高強韌性的軟磁材料。事實上，由於應用環境複雜，對材料要求高，儘管目前商用的軟磁材料種類繁多，但難以滿足複雜的加工條件或服役要求。”李志明團隊科研人員葛蓬華向記者介紹。

析出相尺寸和分佈對合金性能影響大

“通常，我們用強度和塑性等標準，評估某種材料力學性能的好壞。強度，反映的就是材料抵抗永久性變形的一種能力。變形在金屬晶體的微觀世界裏，由一種名為‘位錯’的缺陷運動産生。通常情況下，金屬中某些特有的障礙物，可以阻礙位錯運動，這種障礙物越多，在宏觀上金屬材料的強度就越高。這些障礙物裏，最有效的叫做‘析出相’，但是它們並不利於合金的磁化。因此，這讓眾多科研人員陷入了金屬力學性能與軟磁性能無法兩全的困擾中。如何實現力學和軟磁性能的優良搭配，是軟磁材料發展的難點，也是這一領域研究的熱點。”葛蓬華説。

李志明與合作者通過研究發現，合金中析出相的尺寸、分佈和密度，都會對合金性能産生決定性影響。因此，他們不斷嘗試各種熱處理制度，探索如何獲得材料最完美的狀態。這需要研究人員非常細心，因為一旦“失之毫釐”就會得到“謬以千里”的結果。

在這一過程中，該團隊發現了析出相的最佳尺寸，它是能將合金力學性能和軟磁性能同時優化的“臨界值”。

李志明向記者詳細“復盤”了他們的研究。他們通過實驗，設計了Fe32.6Co27.7Ni27.7Al7.0Ta5.0多組元合金，在無序面心立方結構的基體中引入有序L12奈米析出相，並通過熱機械處理的方法調控奈米析出相尺寸，併發現當L12相平均尺寸在91奈米時，合金具有極低的矯頑力、中等飽和磁化強度和高電阻率；合金在54%的拉伸率下具有1336兆帕的抗拉強度。

通過後續各種表徵手段（掃描電鏡SEM、透射電鏡TEM、三維原子探針3D-APT等），該團隊還發現了奈米析出相的尺寸和分佈對合金性能影響的機理。

實現商業應用還需解決“攔路虎”

這種能使得金屬材料兼具優良的機械性能和軟磁性能的技術，目前還處於實驗室階段。但李志明與合作者研究的這種合金，已經展現出的優良綜合性能，遠超目前商用的軟磁材料。

該團隊認為，他們的研究成果，有望幫助科研人員對現有軟磁合金進行性能優化，間接推動整個軟磁合金行業發展。

“坦率地説，目前我們研究出的合金，雖然具備超高強度、高塑性和低矯頑力等優越性能，但飽和磁化強度還是低於現有最好的軟磁材料。這可能會成為影響該合金實際應用的一個因素。因此，在後續研究中，我們還需要進一步優化合金成分和工藝等，來提高飽和磁化強度。同時，在後續研究中，我們將以此為基礎進一步開發合金體系，增強該合金設計理念的普適性，為繼續降低成本，推動多組元軟磁合金的工業化量産進程努力。”李志明説。

此外，李志明團隊與合作者，還開發了多種高性能合金並提出了多種合金設計新思路。例如研發了具有高應力孿生效應的超高強韌高熵鋼，具有接近理想強度的超間隙固溶合金，具有高電阻、低電阻溫度系數、高強度和較好變形能力的低成本鐵素體型多組元電阻合金等，引起了業界廣泛的關注。