En mekanisme til at designe højentropi-legeringer med forbedrede magnetiske egenskaber

Magnetiske materialer er overalt - i motorer, vindturbine, elektroniske enheder og køleskabe - så materialer med bedre magnetiske egenskaber er yderst ønskelige. TU Delft-forskere Biswanath Dutta og Fritz Körmann fra afdelingen for Materials Science and Engineering har afsløret en mekanisme til at forbedre de magnetiske egenskaber af en relativt ny klasse af multikomponent-legeringer kendt som HEA'er. Deres arbejde udkommer i denne uge i Avancerede funktionelle materialer .

Højentropi legeringer (HEA) blev først foreslået for omkring 15 år siden og siden da, har vakt stor interesse i det materialevidenskabelige samfund på grund af deres fremragende fysiske, mekaniske og funktionelle egenskaber f.eks. større styrke, lovende magnetiske egenskaber, og bedre modstandsdygtighed over for rust og korrosion. "Fokus for dette projekt var at finde nye mekanismer, hvormed vi kunne forbedre de magnetiske egenskaber af en HEA, " siger Dutta. "Og for at gøre dette, du skal lege med kemien, så skift sammensætningen af ​​legeringen."

I modsætning til traditionelle legeringer, som normalt består af en hovedkomponent med en lille mængde af et andet tilsat element, f.eks. stål, som er en legering af jern blandet med 1% kulstof, HEA'er består af fem eller flere elementer i mere eller mindre lige store proportioner. I dette studie, holdet legede med sammensætningen af ​​en FeCoNiMnCu HEA, som indeholder jern, kobolt, nikkel, mangan og kobber. "Vores kolleger ved Max-Planck-Institut für Eisenforschung i Tyskland opvarmede dette materiale ved en bestemt fast temperatur i forskellige tidsrum, " siger Dutta. "Og de lagde mærke til to ting:Den ene var, at opvarmning af HEA i 240 timer forbedrede dens magnetiske egenskaber. Og to, at inden for materialet, de forskellige elementer blev adskilt i forskellige områder i legeringen."

Ved at bruge disse oplysninger, Dutta kørte teoretiske simuleringer og var i sidste ende i stand til at forklare hvorfor, efter langvarig opvarmning, du får forbedrede magnetiske egenskaber:"Kobber kan ikke lide at lave en solid homogen blanding med de andre elementer, og jo mere du opvarmer prøven, jo mere kobberet prøver at adskille sig fra de andre fire elementer, fører til forskellige regioner med forskellige sammensætninger – f.eks. en jern-kobolt-rig region og en kobber-rig region." Disse forskellige regioner har ulige volumener, hvilket forårsager det, der er kendt som kohærensspænding mellem et større volumen og et mindre. "Og hvis et af disse områder er særligt vigtigt for de magnetiske egenskaber, en volumenudvidelse kan forbedre disse magnetiske egenskaber."

Så faktisk er der to mekanismer på spil her:den ene er dannelsen af ​​to regioner med forskellige kemiske sammensætninger - et fænomen kendt teknisk som spinodal nedbrydning - og den anden faktor er den resulterende forskel i volumen og derfor sammenhængsspænding mellem de forskellige regioner.

Med en bedre forståelse af disse mekanismer, forskere kan begynde at undersøge andre magnetiske HEA'er og multikomponentlegeringer for at afgøre, om den samme adfærd forekommer og forårsager en forbedring af deres magnetiske egenskaber. "Dette koncept med at forsøge at forbedre magnetiske egenskaber gennem spinodal nedbrydning er meget nyt, " siger Dutta, "Og disse nye mekanismer vil hjælpe os med at finde nyt magnetisk materiale til potentiel brug i, for eksempel, kølesystemer baseret mindre på gasser og mere på magnetiske faststofmaterialer, som vil være meget mere miljøvenlige."