一、研究背景

软磁材料(SMMs)，指的是当磁化发生在矫顽力Hc不大于1000 A/m，这样的材料称为软磁体。典型的软磁材料，可以用最小的外磁场实现最大的磁化强度。软磁材料（soft magnetic material）是具有低矫顽力和高磁导率的磁性材料。

软磁材料具有磁电转换的特殊功能，是一种广泛应用的功能材料。新的经济形势对软磁材料器件提出了更高的要求，如需要器件向小型化、轻量化、节能化、高频化、耐高温等方向发展。除了如何提高现有材料的性能和质量外，发展综合性能优异的软磁材料已经成为磁性材料领域发展的重要目标之一。

软磁材料在工业中的应用始于19世纪末。人们研发出了铁硅系软磁材料和铁镍系软磁材料的坡莫合金。硅钢在变压器设计中的应用，推进了输变电工程的发展。电子工业的飞速发展对软磁材料的研究起了极大的推动作用，20 世纪40年代至60年代研制出了软磁合金薄带及软磁铁氧体材料，应用于雷达、电视广播、集成电路的等元件上。进入70年代，随着电讯、自动控制、计算机等行业的发展，磁头用软磁合金研制成功。当时除了传统的晶态软磁合金外，又兴起了另一类材料“非晶态软磁合金”。该合金对于促进各种具有高性能的新电子产品的问世和应用起了很大作用，也推进了科学技术的发展和进步。

但软磁材料在实际应用中存在的问题是，在追求优异软磁性能的同时，力学性能难以满足需求。

二、研究成果

软磁材料应用广泛，在较低的能量损耗下允许磁通量随外加磁场的变化而变化。交通、家庭和制造业的电气化导致了能源消耗的增加，这是由于滞后损失。降低矫顽力是至关重要的，这可以减少能量损失，然而，仅仅实现这一目标是不够的，电机中的软磁材料必须承受严重的机械负载;也就是说，这种合金需要高强度和延展性。这是一个根本的设计挑战，因为大多数增强强度的方法都引入了可以固定磁畴的应力场，从而增加了矫顽力和磁滞损失。近日，中南大学李志明教授、德国马普学会钢铁研究所Dierk Raabe教授等研究人员报道了一种解决这项挑战的方法。该团队设计了一种Fe-Co-Ni-Ta-Al多组分合金(MCA)，其基体为铁磁基体，纳米粒子为顺磁相干纳米粒子(尺寸约91 nm，体积分数约55%)。它们阻碍了位错运动，增强了强度和延展性。它们的小尺寸、低相干应力和小静磁能形成低于磁畴壁宽的相互作用体积，使畴壁钉最小化，从而保持了软磁性能。合金的抗拉强度为1336 MPa，拉伸伸长率为54%，矫顽力为78 A m⁻¹(小于1 Oe)，饱和磁化强度为100 A m² kg⁻¹，电阻率为103 μΩ cm。这项研究成功实现了兼具优异软磁性能和高机械强度，解决了实际应用中的卡脖子难题，是软磁材料领域的重大突破性进展！相关研究工作以“A mechanically strong and ductile soft magnet with extremely low coercivity”为题发表在国际顶级期刊《Nature》上。祝贺中南大学！

三、图文速递

图1. M-MCA的显微结构和化学组成

图2. M-MCA塑性变形过程中的力学行为和纳米尺度过程

矫顽力与晶粒尺寸成六次方的比例关系，这种关系可以适用于粒子。因此，目前软磁材料的设计核心是使用小颗粒(小于15 nm)和晶粒尺寸(小于100 nm)。

在这项研究工作中，作者首先将粒子加入到多组分大质量固溶体基质中，并将其尺寸从5-15 纳米增加到90-100纳米。随着粗化过程导致的颗粒比表面积的减小，这个过程产生内应力水平和整体弹性相干失配能的降低。然后，作者提出粒子设计必须遵循四个主要规则。第一，畴壁的最小钉扎需要颗粒尺寸分布具有一个良好调节和控制的特点。第二，颗粒尺寸需要小于畴壁宽度，以防止强钉扎的出现，这就是强抗自旋旋转。第三，饱和磁化强度是由颗粒的化学组成和晶体结构所决定。第四，位错与颗粒之间的相互作用以及在大规模固溶基体中对位错施加的摩擦力决定了合金的强化作用。

图1显示了中等粒径的MCA (M-MCA，其中“M”代表中等粒径)在1173 K下退火5 h后的结构表征。根据图1a所示的电子背散射衍射(EBSD)分析，M-MCA的平均晶粒尺寸为85.3±25.6 μm(不包括退火孪晶界)。电子通道对比成像(ECCI)分析表明，L1₂颗粒具有较高的数量密度(7.2±0.2)×10²⁰ m⁻³和较大的体积分数(55±1%)，在面心立方(fcc)基质中均匀分布(图1b)。利用Rietveld模拟获得的X射线衍射(XRD)图(图1c)晶格参数，计算了FCC基体与L1₂颗粒之间的晶格不匹配(0.48%)。如此小的晶格错配降低了进一步粗化的驱动力，而均匀的弥散阻止了高强时的塑性局部化。中心束流暗场(DF)透射电镜(TEM)分析显示，L1₂颗粒的平均尺寸为90.8±35.8 nm(图1d)。相应的选区电子衍射(见图1d的插图)和高分辨率(HR)-TEM证实了粒子和基体之间的高相干性。

用原子探针层析(APT)表征了L1₂析出相与FCC固溶体之间的元素分配。图1e显示了APT研究的体积的三维分布，突出显示了一组等高线，圈定了在大于25 at.%铁的区域。图1f显示了沿图1e圆柱体获得的一维成分剖面。结果表明，Fe (36 at.%)析出到fcc基体中，而L1₂颗粒富集了Ni (40 at.%)、Ta (13 at.%)和Al (9 at.%)。采用3组APT数据(包括10个L1₂颗粒)分别为Fe₃₆Co₂₈Ni₂₆Al₇Ta₃和Ni₄₀Co₂₆Ta₁₃Fe₁₂Al₉ (at.%)，平均FCC相和L1₂相的组成。除了这些颗粒内的纳米颗粒，作者还观察到两种晶界变异体:(1)晶界粗颗粒(160.2±55.3 nm)，与晶粒内的晶体结构和成分相同;(2)非共格颗粒，在不同结构(图1c)和成分(Ta₄₀Co₂₆Fe₂₀Ni₁₁Al₃ (at.%))的三点处，占分数较小(小于0.3%)。这两种类型的颗粒是由沿晶界的高扩散速率促进的。

图3. 在室温下，MCAs的软磁响应和相关的Bloch壁运动行为

图4. 新的Fe₃₂Co₂₈Ni₂₈Ta₅Al₇ (at.%) M-MCA材料结合了机械和磁性特征

图3a,b显示了MCAs的磁性能。所有合金都表现出典型的软铁磁特性。M-MCA的矫顽力(Hc)极低，为78±3 A m⁻¹(小于1 Oe)，饱和磁化强度(Ms)为100.2±0.2 A m² kg⁻¹。作者发现合金变体的Ms值更高，平均粒径更大(见图3a插图)。这是由于固有磁行为的变化，正如热磁曲线显示的居里温度(Tc)所示。在S-MCA中观察到两个明显的斜率变化，表明存在两种铁磁相。相反，在M-MCA和L-MCA材料中只观察到一个急剧下降，表明只存在一个铁磁相。在高温下测量MCAs的磁性行为进一步证实了这一点。考虑到FCC相和L1₂相都含有高浓度的铁磁元素，作者通过将这两相作为单独的块体样品浇铸，并使用先前从APT分析中获得的各自标称成分来研究它们各自的磁响应。结果表明，在M-MCA中，L1₂体相呈顺磁性，而FCC基体呈铁磁性。由于分配的不同，L1₂相的磁性行为在S-MCA材料中呈现铁磁性，而在M-MCA和L-MCA材料中呈现顺磁性。这种转变背后的机制是内在自旋排列的变化，这与退火过程中化学成分的变化和排序有关。随着颗粒粗化，MCAs饱和磁化强度的整体增加归因于元素分配导致的fcc基体组成的变化，特别是fcc基体中产生的(Fe+Co)浓度更高。这一效应提高了每个公式单元的总平均磁矩，并导致更高的磁阻。

研究表明，必须仔细控制颗粒的纳米尺寸分布，以最小化它们对畴壁运动的钉扎效应，这决定了合金的矫顽力。这是通过在结构缺陷的释放(例如，界面弹性变形，位错密度)降低到维持高机械强度所需的水平和静磁能增加钉住效应之间的最佳平衡来实现的，同时在颗粒粗化过程中保持颗粒尺寸低于畴壁宽度。

为了突出最佳粒径的M-MCA的力学和磁性能的良好结合，作者将其与现有的SMM进行了比较，并在Ashby阿什比图中显示了σ_UTS × ε_f值与Hc(图4a)。结果表明，新型M-MCA材料的σ_UTS × ε_f值优于其他SMM材料。值得注意的是，新材料的Hc低于所有Fe-Ni合金和其他MCAs的Hc，可与Fe-Si、Fe-Co合金和纯铁相媲美。非晶和纳米晶软磁合金可以显示超低Hc(小于10 A m^-1)和高机械强度，但其有限的延展性, 破坏了耐受性和可加工性，这阻碍了其在负载路径变化或高应力、成形或加工应用的情况下的应用。图4b比较了具有强韧性MCAs的M-MCA材料的σ_UTS × εf值与晶粒尺寸的关系。结果表明，即使没有晶界的大量贡献，合金的σ_UTS × εf也达到较高的值，证实了纳米颗粒和大量固溶体的强化作用。

四、结论与展望

在这项研究中，作者开发了一种迄今为止被认为性能会相互排斥的材料，即兼具优异的机械强度(1336 MPa)和拉伸延展性(54%)，较低矫顽力(78 A m⁻¹)，中等饱和磁化强度(100 A m² kg⁻¹)和高电阻率(103 μΩ cm)。作者在一种新型块状软磁材料中实现了这一点，其纳米颗粒弥散具有良好控制的尺寸(91纳米)、磁性、共格应变、强度和界面能。这种设计策略与传统SMM设计中普遍采用的设计策略相反。作者没有像传统的软磁材料设计那样使用最小的微观结构特征(颗粒尺寸<15 纳米)来避免磁性壁钉扎，而是选择了一种比较粗糙的颗粒弥散，这种结构具有调谐的颗粒/基质界面共格应力和顺磁性，其重要性在于即可以减少畴壁的磁性钉住(软磁)，也可以最大化与位错的相互作用强度(力学性能)，成功实现了软磁性能和力学性能的完美结合。软磁材料作为一类重要的功能材料，具有低矫顽力、低剩磁、高饱和磁化强度等优点，因此在电力电子行业中得到了广泛的应用。经过多年的发展，软磁材料形成了金属基材料、铁氧体、非晶纳米以及软磁复合材料等多种类的软磁材料体系，为现代工业的发展提供了强大的支撑，如今电子器件日益向小型化、高性能、高速化方向发展，本论文工作将有助于软磁材料的进一步深化应用。

五、文献

文献链接：

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

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