保磁力が極めて低く、機械的に強く延性に優れた軟磁性磁石

Nature volume 608、pages 310–316 (2022)この記事を引用

19,000 アクセス

42件の引用

79 オルトメトリック

メトリクスの詳細

軟磁性材料 (SMM) は電気用途や持続可能なエネルギー供給に役立ち、印加される磁場の変化に応じて低エネルギー損失で磁束を変化させることができます1。 輸送機関、家庭、製造業の電化は、ヒステリシス損失 2 によるエネルギー消費の増加につながります。 したがって、これらの損失を調整する保磁力を最小限に抑えることが重要です3。 しかし、この目標を達成するだけでは十分ではありません。電気エンジンの SMM は厳しい機械的負荷に耐える必要があります。 つまり、合金には高い強度と延性が必要です4。 強度を高めるほとんどの方法では、磁区を固定する可能性のある応力場が導入され、保磁力とヒステリシス損失が増加するため、これは設計の基本的な課題です。 ここでは、このジレンマを克服するためのアプローチを紹介します。 我々は、強磁性マトリックスと常磁性コヒーレントナノ粒子（サイズ約91 nm、体積分率約55％）を備えたFe-Co-Ni-Ta-Al多成分合金（MCA）を設計した。 これらは転位の動きを妨げ、強度と延性を高めます。 サイズが小さく、コヒーレンシー応力が低く、静磁気エネルギーが小さいため、磁壁幅以下に相互作用体積が形成され、磁壁ピンニングが最小限に抑えられ、軟磁気特性が維持されます。 この合金は、54% の引張伸びで 1,336 MPa の引張強さ、78 A m-1 (1 Oe 未満) の非常に低い保磁力、100 A m2 kg-1 の中程度の飽和磁化、および 103 μΩ cm の高い電気抵抗率を備えています。

SMM の主な目標は、ヒステリシス関連および渦電流関連のエネルギー損失、ノイズ、および関連する材料損傷を低減するため、保磁力をできるだけ低くし、電気抵抗率をできるだけ高くすることです1、2、3。 また、輸送やエネルギーにおける安全性が重要な部品の機械的に厳しい負荷条件下で動作するには、より高い強度と延性を備えた新しい SMM が必要です4。 高い強度と延性は、高硬度 5 や破壊靱性 6 など、他の多くの機械的特性の尺度としても機能します。 この複数の特性プロファイルにより、根本的なジレンマが生じます。 金属材料の機械的強度は、格子欠陥と、転位と呼ばれる非弾性変形を伴う線形格子欠陥との弾性相互作用によって生成されます。 ただし、欠陥は磁壁とも相互作用し、磁壁を固定します。 磁壁運動の損失により保磁力が増加し、その結果材料は軟磁性の特徴を失います。 したがって、現在の SMM は保磁力を最小限に抑えるために格子欠陥を回避するという設計ルールに従っています7。 一方、合金の機械的強度を高めるには、転位、粒界、析出物などの欠陥による内部応力レベルを高める必要があります8。 これは、軟磁石を機械的に強くするという課題は、機械的強度と影響を受けない磁壁運動という、2 つの相互に排他的な設計戦略の間のトレードオフであることを意味します。

保磁力の粒径依存性の理論 9 は、ナノ結晶材料の場合、保磁力が粒径の 6 乗に比例することを示しており、この関係は粒子にも適用できます 10。 したがって、SMM の現在の設計は、小さな粒子 (15 nm 未満) 10、11 と粒径 (100 nm 未満) 12、13、14 の使用に焦点を当てています。 磁歪理論によれば、保磁力は磁壁を移動させて格子障壁を克服するのに必要なエネルギーに依存します15。 ここでは、粒子を多成分の塊状固溶体マトリックスに導入し、そのサイズを一般的に使用される範囲の 5 ～ 15 nm から 90 ～ 100 nm に増加させます。 これにより、粒子の粗大化によって生じる比表面積 (単位体積あたりの総表面積) が小さくなることにより、内部応力レベルと全体の弾性凝集性ミスフィット エネルギーが減少します。 次に、粒子設計は 4 つの主要なルールに従う必要があることを提案します。 まず、磁壁の固定を最小限に抑えるには、粒子粗大化中の比表面積の減少と静磁気エネルギーの増加との間の最適なバランスを備えた、よく調整され、よく制御された粒子サイズ分布が必要です。 第二に、強いピン止め、つまりスピン回転に対する強い抵抗を防ぐために、粒子サイズは磁壁幅よりも小さいままでなければなりません8。 第三に、粒子の化学組成と結晶構造によって飽和磁化が決まります。 したがって、反強磁性元素は通常除外されます。 第 4 に、合金の強化は、転位と粒子の間の相互作用、および塊状固溶体マトリックス内の転位に作用する摩擦力によって決まります。 したがって、格子不整合が最小限に抑えられた本質的に強い金属間化合物粒子がターゲットとなります。 これらは、転位の切断（強度の提供）に高い力を必要としますが、同じ発生源から放出される転位によって切断を繰り返すと、残りの粒子断面に沿って徐々に容易に剪断され、徐々に減少する粒子の断面が得られます（延性の提供）。