Magnetiska material finns överallt – i motorer, vindturbiner, elektroniska enheter och kylskåp – så material med bättre magnetiska egenskaper är mycket önskvärda. TU Delft-forskarna Biswanath Dutta och Fritz Körmann vid institutionen för materialvetenskap och teknik har avslöjat en mekanism för att förbättra de magnetiska egenskaperna hos en relativt ny klass av flerkomponentlegeringar som kallas HEA. Deras arbete publiceras denna vecka i Avancerade funktionella material .

Högentropilegeringar (HEA) föreslogs först för cirka 15 år sedan och sedan dess, har väckt stort intresse inom materialvetenskapen på grund av deras utmärkta fysiska, mekaniska och funktionella egenskaper t.ex. större styrka, lovande magnetiska egenskaper, och bättre motståndskraft mot rost och korrosion. "Fokus för detta projekt var att hitta nya mekanismer med vilka vi kunde förbättra de magnetiska egenskaperna hos en HEA, " säger Dutta. "Och för att göra detta, du måste leka med kemin så ändra sammansättningen av legeringen."

Till skillnad från traditionella legeringar, som vanligtvis består av en huvudkomponent med en liten mängd av ett annat tillsatt element, t.ex. stål, som är en legering av järn blandat med 1 % kol, HEA består av fem eller flera element i mer eller mindre lika proportioner. I den här studien, laget lekte med sammansättningen av en FeCoNiMnCu HEA, som innehåller järn, kobolt, nickel, mangan och koppar. "Våra kollegor vid Max-Planck-Institut für Eisenforschung i Tyskland värmde detta material vid en viss fast temperatur under olika lång tid, " säger Dutta. "Och de märkte två saker:en var att uppvärmning av HEA i 240 timmar förbättrade dess magnetiska egenskaper. Och två, att inom materialet, de olika elementen blev segregerade i olika regioner inom legeringen."

Med hjälp av denna information, Dutta körde teoretiska simuleringar och kunde till slut förklara varför, efter långvarig uppvärmning, du får förbättrade magnetiska egenskaper:"Koppar gillar inte att göra en fast homogen blandning med de andra elementen och så ju mer du värmer provet, ju mer kopparn försöker separera från de andra fyra elementen, leder till olika regioner med olika sammansättning, t.ex. en järn-koboltrik region och en kopparrik region." Dessa olika regioner har ojämna volymer som orsakar vad som kallas koherensspänning mellan en större volym och en mindre. "Och om en av dessa regioner är särskilt viktig för de magnetiska egenskaperna, en volymexpansion kan förbättra dessa magnetiska egenskaper."

Så i själva verket finns det två mekanismer som fungerar här:den ena är bildandet av två regioner med olika kemiska sammansättningar - ett fenomen som tekniskt kallas spinodal nedbrytning - och den andra faktorn är den resulterande skillnaden i volym och därför koherensspänning mellan de olika regionerna.

Med en bättre förståelse för dessa mekanismer, forskare kan börja undersöka andra magnetiska HEA:er och flerkomponentlegeringar för att avgöra om samma beteende inträffar och orsakar en förbättring av deras magnetiska egenskaper. "Det här konceptet att försöka förbättra magnetiska egenskaper genom spinodal nedbrytning är väldigt nytt, säger Dutta, "Och dessa nya mekanismer kommer att hjälpa oss att hitta nytt magnetiskt material för potentiell användning i, till exempel, kylsystem baserade mindre på gaser och mer på magnetiska material i fast tillstånd som kommer att vara mycket mer miljövänliga."