| 引文格式 |
| Hu Li, Anding Wang*, Tao Liu, Pingbo Chen, Aina He, Qiang Li*, Junhua Luan, Chain-Tsuan Liu*. “Design of Fe-based nanocrystalline alloys with superior magnetization and manufacturability”. Materials Today 42(2021) 49-56. |
| 题目 |
| 具有优异磁化强度和可制造性能的铁基纳米晶合金的设计 |
| Title |
| Design of Fe-based nanocrystalline alloys with superior magnetization and manufacturability |
| 专家照片
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| 研究领域 |
| 非晶及纳米合金 |
| 研究背景/选题意义/研究价值 |
| 近年来，Fe、Co、Ni 等过渡族金属元素组成的高熵合金展示出优异的综合性能，包括软磁性能、机械性能、耐腐蚀性能和高温稳定性等，在航空航天等服役 环境恶劣的领域具有广阔的应用前景。合金的饱和磁化强度通常来源于铁磁性元素， 如 Fe，Co和Ni，而添加非铁磁性元素可能可以降低矫顽力，但对饱和磁化强度总是产生负面影响。这使得提高高熵合金的饱和磁化强度和减小其矫顽力往往难以同时实现。有研究报道，在一些 3d 过渡族金属软磁高熵合金中添加一定量的Al (约≥10 at.%) 能诱导高熵合金从单一FCC固溶体结构向 BCC固溶体结构转变，从而获得更好的软磁性能。基于此，在本工作中，我们放弃了比Fe和Co具有更低磁矩的Ni， 而是在CoFe合金的基础上加入 Al 和 Mn，希望能获得高饱和磁化强度和低矫顽力的新型高熵合金。由此我们设计了 CoFeAlMn高熵合金，全面研究了该体系的相结构和磁性能，以及Al和Mn对其磁性行为的协同作用及其机制。 |
| 主要研究内容 |
| 新疆大学李强教授与中科院宁波材料所董亚强教授团队合作探究Al与Mn的协同作用对CoFeMnAl高熵合金体系性能的影响。研究发现，通过对铁磁性元素Co和Fe比例的调整，发现Al和过渡族金属构成的软磁高熵合金中Co：Fe在2:1时易于构建BCC/B2共格结构。基于此，为开发具有优异软磁性能的新型软磁高熵合金，我们设计了Co4Fe2AlxMny(x = 0.5~2.5, y = 0.5~2.5)合金体系，并探究非磁性元素Al和Mn的比例对性能的影响[2]。结果显示Co4Fe2Al1.5Mn1.5 HEA拥有在迄今为止报道的软磁高熵合金中最高的饱和磁化强度，达到161.3 emu/g，以及1.9 Oe的低矫顽力、173 μΩ·cm的高电阻率和高达600 C的卓越热稳定性。Co4Fe2Al1.5Mn1.5高熵合金和已报道高熵合金的软磁性能比较如下图1所示。经过对于该高熵合金的微观结构表征和密度泛函理论计算发现，这些优异的性能源于一种新型微观相结构，即DO3基体相中分布着B2相纳米颗粒，以及Mn在Al的帮助下从反铁磁性到铁磁性的转变。 
图1 Co4Fe2Al1.5Mn1.5 HEA和已报道HEAs的Ms与Hc比较 选择Co4Fe2Al1.5Mn1.5 高熵合金制备软磁粉芯，探究其在软磁复合材料领域的应用。图2为不同温度热处理的Co4Fe2Al1.5Mn1.5 高熵合金在20 mT时总损耗经。比较发现在600 ℃退火1 h的Co4Fe2Al1.5Mn1.5高熵合金软磁粉芯具有优异的软磁性能，Pcv为38.1 mW/cm3 (@ 100kHz, 20 mT)。另外，600℃退火后的磁粉芯在1 MHz频率下具有稳定的μe为35.9， 100 Oe下的直流偏置性能为87.7 %。经过表征和测试发现600 ℃退火1 h后的Co4Fe2Al1.5Mn1.5高熵合金形成了B2纳米颗粒分布在DO3基体相中的新颖微观结构，其中Mn在Al的辅助下由反铁磁性向铁磁性转变是该高熵合金具有高Ms的重要原因。
图2 不同温度热处理的Co4Fe2Al1.5Mn1.5 HEA SMPCs在20 mT时总损耗 |
| 主要创新点 |
| 本研究通过全面系统地比较不同基质相的高熵合金和软磁粉芯的微观结构与性能的关联，发现Al和Mn协同作用下可以使得Mn从反铁磁性转变为铁磁性，研究设计出具有优异软磁性能和高温稳定性的新型Co4Fe2Al1.5Mn1.5高熵合金，为开发有前途应用的软磁高熵合金体系及其具体应用的探究奠定了基础。 |
