中南大学考研(中南大学考研分数线)




中南大学考研,中南大学考研分数线

铁屑掉在一张纸上,并被好好地摇晃一下,就会胡乱地移动,而不会形成任何特定的排列。如果用放在纸下面的条形磁铁重复这个过程,铁屑就会排列成椭圆的图案,显示出本来看不见的磁力线。铁屑之所以有这样的表现,是因为铁是一种 “软 “的磁性材料:当施加微弱的磁场时,它很容易被磁化,而当磁场被移除或稍微扭转时,它又很容易被消磁。

软磁材料用于各种日常应用,包括变压器、发电机和电动机。这些材料的一个关键特性是矫顽力,它量化了完全退磁所需的反向磁场的强度——矫顽力必须低才能减少应用中的能量损失。对于某些应用,软磁材料还必须坚固、可延展和坚韧。然而,机械性能和软磁性能通常呈负相关,因此必须在低矫顽力和高机械强度之间取得折衷。

鉴于此,德国马普所DierkRaabe院士团队联合中南大学李志明团队报道了一种克服上述困境的方法。他们设计了一种Fe-Co-Ni-Ta-Al多元合金(MCA),它具有铁磁基体和顺磁性相干纳米颗粒(尺寸约为91 nm,体积分数约为55%)。它们阻碍位错运动,增强强度和延展性。它们的小尺寸、低相干应力和小静磁能在磁畴壁宽度以下产生相互作用体积,导致畴壁钉扎最小化,从而保持软磁特性。该合金在54%的拉伸伸长率下具有1336 MPa的拉伸强度,78 A m-1的极低矫顽力(小于1Oe),100 A m2 kg-1的中等饱和磁化强度和103 μΩ cm的高电阻率。相关研究成果以题为“A mechanically strong and ductile soft magnet with extremely low coercivity”发表在最新一期《Nature》上,第一作者为Han Liuliu。

【实验设计原理】

强度是材料抵抗永久变形的能力,在结晶金属中,这种永久变形是通过称为位错的缺陷的运动而发生的。因此,通过阻碍位错运动来“固定”位错的障碍物会增强强度。其中最有效的障碍是沉淀物——当超过基体的某些组成元素的溶解度极限时,在合金的固溶体(基体)中形成的新相颗粒。坚硬的、紧密排列的并占据合金体积大部分的沉淀物特别擅长钉扎。不幸的是,沉淀物也倾向于固定磁畴之间的壁—相邻原子的磁矩具有优选排列的区域,这导致域内的磁化在大小和方向上是均匀的

软磁材料包含许多磁畴。当材料处于退磁状态时,磁矩的排列会从一个域到下一个域发生变化。但是,在磁化时,所有磁畴的磁矩都沿外加磁场排列。这主要通过畴壁的移动发生,这允许有利取向的畴生长而不利取向的畴收缩。

如果增强强度的沉淀物干扰畴壁运动,则需要施加高场以达到材料的最大可能(饱和)磁化强度,并且需要高反向场以使其完全退磁。这会导致在磁化-退磁循环期间由于磁滞现象产生能量损失——在磁化和退磁过程中,材料的磁化强度相对于施加的场强的变化是不同的现象。

【微观结构分析与机械性能】

本文内容表明:有可能在一种多成分合金中解开沉淀物的对立效应,从而使强度的好处不以牺牲矫顽力为代价。该合金的基体有一个立方晶格,主要包含铁、钴和镍原子,还有少量的铝和钽(图1)。通过将这种材料加热到1173开尔文,作者产生了与基体具有不同晶格结构的沉淀物,这些沉淀物占据了合金总体积的55%。与基体相比,这些沉淀物富含镍、钽和铝,但铁和钴的含量却很低,这使得它们具有顺磁性–它们不支持磁性状态。通过改变加热时间,作者改变了沉淀颗粒的大小,从小型(24 nm)到中型(91 nm)和大型(255 nm)(图2)中等大小的沉淀物产生了高强度、高延展性(因此也是韧性)和低矫顽力的最佳组合。

图 1. M-MCA的微观结构和化学成分

图 2. M-MCA塑性应变过程中的机械行为和纳米级过程

本文的合金比许多其他报道的多组分合金更坚韧。此外,它的矫顽力可与最广泛使用的硅钢(经过特殊加工以降低矫顽力)相媲美,并且比许多其他软磁材料更坚韧(Figure 1)。它还具有比市售软磁材料更高的电阻率。这是可取的,因为它降低了放置在不断变化的磁场中的导体中形成的电“涡流”电流(例如在变压器铁芯中),并且这是当磁场在高电压来回切换时能量损失的主要原因频率。

Figure 1. 软磁材料(SMM)的特性比较

【磁性与条件优化】

图3a、b显示了MCA的磁性。所有合金都表现出典型的软铁磁行为。M-MCA表现出极低的矫顽力(Hc)为78±3 Am-1(小于1Oe)和中等饱和磁化强度(Ms)为100.2±0.2 Am2 kg-1。

图 3. 室温下MCA的软磁响应和相关的 Bloch 壁运动行为

目前实现低矫顽力的常用方法是使用具有微小晶粒尺寸(小于15 nm)的纳米晶材料或非晶材料——它们可以被认为具有更小的“晶粒尺寸”,接近原子距离,因为它们缺乏晶体材料的长程有序,只有短程有序。然而,纳米晶和无定形材料由于延展性差而易碎且难以成型。作者采取了逆势而上的方法。他们从粗粒度为85µm的软基体合金开始,以确保矫顽力受晶粒内特征的影响,而不是受晶界的影响。然后它们形成沉淀物以强化合金。为了减少沉淀物钉扎畴壁的问题,作者仔细控制了材料的化学和微观结构,并将沉淀物的尺寸调整为小于纳米级畴壁厚度。出于同样的目的,他们还优化了析出物的表面积与体积比,以及析出物晶格与基体不匹配引起的应变。因此,它们能够实现低矫顽力和高韧性,这是以前难以捉摸的组合。

图 4. 新型Fe32Co28Ni28Ta5Al7(at.%)M-MCA材料中结合的机械和磁性特征

【小结】

作者开发了一种结合了迄今为止相互排斥的特性的材料,即高机械强度(1336MPa)、高拉伸延展性(54%)、低矫顽力(78 Am-1)、中等饱和磁化强度(100 Am2Kg-1)和高电阻率(103 μΩ cm)。通过具有良好控制的尺寸(91nm)、磁性、相干应变、强度和界面能的纳米粒子分散体在一类新的体SMM中实现了这一点。该设计策略与传统SMM设计中普遍采用的策略相反。通过选择相对粗糙的颗粒分散体,具有调谐的颗粒/基质界面相干应力和顺磁特性,以最大限度地减少畴壁的磁钉扎一方面(软磁性),另一方面最大限度地提高与位错的相互作用强度(强度和延展性)。

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来源:高分子科学前沿

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