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世界上是否存在一種能有效解決金屬材料機(jī)械性能和軟磁性能間矛盾的材料？

答案是：以前沒(méi)有，但現(xiàn)在有了。

9月14日，科技日?qǐng)?bào)記者從中南大學(xué)獲悉，該校材料科學(xué)與工程學(xué)院教授李志明，在與德國(guó)馬普所Dierk Raabe教授等研究人員的一項(xiàng)合作研究中，獲得了一種集高機(jī)械強(qiáng)度、高拉伸延展性、低矯頑力、中等飽和磁化強(qiáng)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(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵材料。對(duì)于在應(yīng)力加載條件下服役的軟磁合金部件，除了要具備優(yōu)良軟磁性能（如低矯頑力、高飽和磁化強(qiáng)度）外，機(jī)械性能（如強(qiáng)度、塑性）也非常重要。但大多數(shù)提高合金機(jī)械強(qiáng)度的方法，都會(huì)降低軟磁性能。對(duì)此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種Fe-Co-Ni-Ta-Al多組元合金，解決這對(duì)‘冤家’之間的矛盾。我相信，這種合金體系在未來(lái)高性能軟磁部件中，會(huì)有重要的應(yīng)用價(jià)值。”李志明說(shuō)。

該項(xiàng)最新研究成果日前發(fā)表于國(guó)際權(quán)威雜志《自然》。

亟須開發(fā)新一代高強(qiáng)韌性軟磁材料

經(jīng)常被應(yīng)用于高大上領(lǐng)域的軟磁材料，在日常生活中也很常見(jiàn)。

在中學(xué)課本中，有這么一個(gè)小實(shí)驗(yàn)。

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(tài)。

此時(shí)，老師在紙下放置一根條形磁鐵，再重復(fù)上述過(guò)程，這些鐵屑就立刻變得“規(guī)矩”起來(lái)——排列成磁力線的形狀。

這是中學(xué)時(shí)候，大家對(duì)磁的第一次認(rèn)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(chǎng)“控制”時(shí)，很容易被磁化。但當(dāng)磁場(chǎng)移除時(shí)，它們又很容易“變節(jié)”——退磁。

在科學(xué)上，軟磁材料被定義為能迅速響應(yīng)外加磁場(chǎng)變化，且能低損耗獲得高磁通密度的一種材料。反之，經(jīng)磁化后不易退磁，甚至可以作為外加磁場(chǎng)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(dǎo)率和高飽和磁化強(qiáng)度等特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于電力工業(yè)和電子設(shè)備中。特別是，隨著我國(guó)新基建等有關(guān)政策的推行和落地，軟磁材料在光伏發(fā)電、新能源汽車及充電樁、數(shù)據(jù)中心、消費(fèi)電子等領(lǐng)域的需求會(huì)越來(lái)越大。

“軟磁材料是現(xiàn)在種類最多的一類磁性材料。它的發(fā)展可以追溯到100多年以前。但隨著新能源汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展，電機(jī)內(nèi)部高速轉(zhuǎn)子等軟磁材料部件需要擁有更高的強(qiáng)度，來(lái)防止其在高離心力下發(fā)生永久變形。這意味著，亟須開發(fā)新一代具備高強(qiáng)韌性的軟磁材料。事實(shí)上，由于應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜，對(duì)材料要求高，盡管目前商用的軟磁材料種類繁多，但難以滿足復(fù)雜的加工條件或服役要求。”李志明團(tuán)隊(duì)科研人員葛蓬華向記者介紹。

析出相尺寸和分布對(duì)合金性能影響大

“通常，我們用強(qiáng)度和塑性等標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)估某種材料力學(xué)性能的好壞。強(qiáng)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里，由一種名為‘位錯(cuò)’的缺陷運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生。通常情況下，金屬中某些特有的障礙物，可以阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，這種障礙物越多，在宏觀上金屬材料的強(qiáng)度就越高。這些障礙物里，最有效的叫做‘析出相’，但是它們并不利于合金的磁化。因此，這讓眾多科研人員陷入了金屬力學(xué)性能與軟磁性能無(wú)法兩全的困擾中。如何實(shí)現(xiàn)力學(xué)和軟磁性能的優(yōu)良搭配，是軟磁材料發(fā)展的難點(diǎn)，也是這一領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。”葛蓬華說(shuō)。

李志明與合作者通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，合金中析出相的尺寸、分布和密度，都會(huì)對(duì)合金性能產(chǎn)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(tài)。這需要研究人員非常細(xì)心，因?yàn)橐坏?ldquo;失之毫厘”就會(huì)得到“謬以千里”的結(jié)果。

在這一過(guò)程中，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了析出相的最佳尺寸，它是能將合金力學(xué)性能和軟磁性能同時(shí)優(yōu)化的“臨界值”。

李志明向記者詳細(xì)“復(fù)盤”了他們的研究。他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了Fe32.6Co27.7Ni27.7Al7.0Ta5.0多組元合金，在無(wú)序面心立方結(jié)構(gòu)的基體中引入有序L12納米析出相，并通過(guò)熱機(jī)械處理的方法調(diào)控納米析出相尺寸，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)L12相平均尺寸在91納米時(shí)，合金具有極低的矯頑力、中等飽和磁化強(qiáng)度和高電阻率；合金在54%的拉伸率下具有1336兆帕的抗拉強(qiáng)度。

通過(guò)后續(xù)各種表征手段（掃描電鏡SEM、透射電鏡TEM、三維原子探針3D-APT等），該團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)了納米析出相的尺寸和分布對(duì)合金性能影響的機(jī)理。

實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用還需解決“攔路虎”

這種能使得金屬材料兼具優(yōu)良的機(jī)械性能和軟磁性能的技術(shù)，目前還處于實(shí)驗(yàn)室階段。但李志明與合作者研究的這種合金，已經(jīng)展現(xiàn)出的優(yōu)良綜合性能，遠(yuǎn)超目前商用的軟磁材料。

該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，他們的研究成果，有望幫助科研人員對(duì)現(xiàn)有軟磁合金進(jìn)行性能優(yōu)化，間接推動(dòng)整個(gè)軟磁合金行業(yè)發(fā)展。

“坦率地說(shuō)，目前我們研究出的合金，雖然具備超高強(qiáng)度、高塑性和低矯頑力等優(yōu)越性能，但飽和磁化強(qiáng)度還是低于現(xiàn)有最好的軟磁材料。這可能會(huì)成為影響該合金實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)因素。因此，在后續(xù)研究中，我們還需要進(jìn)一步優(yōu)化合金成分和工藝等，來(lái)提高飽和磁化強(qiáng)度。同時(shí)，在后續(xù)研究中，我們將以此為基礎(chǔ)進(jìn)一步開發(fā)合金體系，增強(qiáng)該合金設(shè)計(jì)理念的普適性，為繼續(xù)降低成本，推動(dòng)多組元軟磁合金的工業(yè)化量產(chǎn)進(jìn)程努力。”李志明說(shuō)。

此外，李志明團(tuán)隊(duì)與合作者，還開發(fā)了多種高性能合金并提出了多種合金設(shè)計(jì)新思路。例如研發(fā)了具有高應(yīng)力孿生效應(yīng)的超高強(qiáng)韌高熵鋼，具有接近理想強(qiáng)度的超間隙固溶合金，具有高電阻、低電阻溫度系數(shù)、高強(qiáng)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(yè)界廣泛的關(guān)注。

原標(biāo)題：調(diào)和機(jī)械性能與軟磁性能間矛盾，這種合金實(shí)現(xiàn)“魚與熊掌兼得”