보자력이 극히 낮은 기계적으로 강하고 연성인 연자석

Nature 608권, 310~316페이지(2022)이 기사 인용

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측정항목 세부정보

연자성 재료(SMM)는 전기 응용 분야 및 지속 가능한 에너지 공급에 사용되며 낮은 에너지 손실로 적용된 자기장의 변화에 ​​따라 자속을 변화시킬 수 있습니다1. 교통, 가정, 제조업의 전기화는 히스테리시스 손실로 인해 에너지 소비를 증가시킵니다2. 따라서 이러한 손실을 확대하는 보자력을 최소화하는 것이 중요합니다3. 그러나 이 목표를 달성하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 전기 엔진의 SMM은 심각한 기계적 부하를 견뎌야 합니다. 즉, 합금에는 높은 강도와 ​​연성이 필요합니다4. 강도를 향상시키는 대부분의 방법은 자기 도메인을 고정할 수 있는 응력장을 도입하여 보자력과 히스테리시스 손실을 증가시키기 때문에 이는 근본적인 설계 과제입니다5. 여기서는 이러한 딜레마를 극복하기 위한 접근법을 소개합니다. 우리는 강자성 매트릭스와 상자성 응집성 나노입자(크기 약 91nm, 부피 분율 약 55%)를 사용하여 Fe-Co-Ni-Ta-Al 다성분 합금(MCA)을 설계했습니다. 이는 전위 운동을 방해하여 강도와 연성을 향상시킵니다. 작은 크기, 낮은 일관성 응력 및 작은 정자기 에너지는 자구 벽 너비 아래에 상호 작용 볼륨을 생성하여 자구 벽 고정을 최소화하여 연자기 특성을 유지합니다. 합금은 54% 인장 신율에서 1,336MPa의 인장 강도, 78Am−1(1Oe 미만)의 매우 낮은 보자력, 100Am2kg−1의 적당한 포화 자화 및 103μΩcm의 높은 전기 저항을 갖습니다.

가능한 가장 낮은 보자력과 가장 높은 전기 저항률은 히스테리시스 관련 및 와전류 관련 에너지 손실, 소음 및 관련 재료 손상을 줄이기 위한 SMM의 주요 목표입니다1,2,3. 또한 운송 및 에너지 분야에서 안전이 중요한 부품에 대해 기계적으로 까다로운 하중 조건에서 작동하려면 강도와 연성이 더 높은 새로운 SMM이 필요합니다4. 높은 강도와 ​​연성은 또한 높은 경도5 및 파괴 인성6과 같은 다른 많은 기계적 특성에 대한 척도 역할을 합니다. 이 다중 속성 프로필은 근본적인 딜레마를 만듭니다. 금속 재료의 기계적 강도는 격자 결함과 전위라고 하는 비탄성 변형을 수반하는 선형 격자 결함과의 탄성 상호작용에 의해 생성됩니다. 그러나 결함은 자구 벽과도 상호 작용하여 고정됩니다. 자벽 운동의 손실은 보자력을 증가시켜 재료의 연자성 특성을 잃게 됩니다. 따라서 현재 SMM은 보자력을 최소화하기 위해 격자 결함을 방지하는 설계 규칙을 따릅니다7. 반면, 합금의 기계적 강도를 높이려면 전위, 결정립계, 석출물 등의 결함을 통해 내부 응력 수준을 높여야 합니다8. 이는 연자석을 기계적으로 강하게 만드는 작업이 상호 배타적인 두 가지 설계 전략, 즉 기계적 강도와 영향을 받지 않는 자벽 움직임 사이의 절충안임을 의미합니다.

보자력의 결정립 크기 의존성 이론9은 나노결정질 재료의 경우 결정립 크기의 6제곱에 비례하며, 이는 입자에도 적용될 수 있는 관계입니다10. 따라서 SMM의 현재 설계는 작은 입자(15nm 미만)10,11 및 입자 크기(100nm 미만)12,13,14를 사용하는 데 중점을 두었습니다. 자기 변형 이론에 따르면 보자력은 격자 장벽을 극복하기 위해 도메인 벽을 변위하는 데 필요한 에너지에 따라 달라집니다. 여기서는 다성분 거대 고용체 매트릭스에 입자를 도입하고 일반적으로 사용되는 범위인 5-15nm에서 90-100nm로 크기를 늘립니다. 이를 통해 조대화로 인해 입자의 비표면적(단위 부피당 총 표면적)이 작아짐으로써 내부 응력 수준과 전체 탄성 응집성 부적합 에너지가 감소합니다. 그런 다음 입자 설계가 네 가지 주요 규칙을 따라야 한다고 제안합니다. 첫째, 자벽 벽의 최소 고정을 위해서는 입자 조대화 중 비표면적 감소와 정자기 에너지 증가 사이의 최적의 균형을 유지하면서 잘 조정되고 잘 제어된 입자 크기 분포가 필요합니다. 둘째, 강한 고정, 즉 스핀 회전에 대한 강한 저항을 방지하려면 입자 크기가 자벽 벽 너비보다 작게 유지되어야 합니다8. 셋째, 입자의 화학적 조성과 결정 구조가 포화 자화를 결정합니다. 따라서 반강자성 요소는 일반적으로 제외됩니다. 넷째, 합금의 강화는 전위와 입자 사이의 상호 작용과 거대한 고용체 매트릭스의 전위에 가해지는 마찰력에 의해 결정됩니다. 따라서 격자 부적합이 최소화된 본질적으로 강한 금속간 입자가 목표가 됩니다. 이는 전위 절단(강도 제공)을 위해 높은 힘이 필요하지만, 동일한 소스에 의해 방출된 전위를 통해 절단을 반복하면 나머지 부분을 따라 점진적으로 쉽게 전단되고 입자 단면이 점차 감소합니다(연성 제공).