Mjuka magnetiska material (SMM) som används i elmotorer omvandlar energi från hållbara resurser till elektricitet. Konventionella SMM, som för närvarande används inom industrin, är benägna att skadas under svåra mekaniska belastningar. Forskare från Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE), Darmstadts tekniska universitet och Central South University, Kina, har utvecklat en ny designstrategi som ökar livslängden för SMM och banar väg för avancerade applikationer som höghastighetståg motorer. De publicerade sina senaste fynd i tidskriften Nature .

Introduktion av nanopartiklar för ökad styrka och duktilitet

"Det nuvarande problemet vi står inför i konventionella mjuka magnetiska material är avvägningen mellan att vara magnetiskt mjuk å ena sidan och mekaniskt stark å andra sidan", förklarar Liuliu Han, doktorandforskare vid MPIE och första författare till publikationen . Högre hållfasthet i material uppnås vanligtvis genom implementering av mikrostrukturella egenskaper såsom utfällningar och defekter. Enligt teknikens ståndpunkt kommer införandet av dessa nanopartiklar i mjuka magnetiska material att stifta rörelsen av domänväggarna och därmed minska magnetiseringskraften. Forskarna upptäckte att storleken på nanopartiklarna spelar en avgörande roll för både magneternas mekaniska styrka och duktilitet och deras magnetism.

"Till nu har man antagit att mindre nanopartiklar interagerar mindre med domänväggarna och därför är att föredra. Men tvärtom är sant. Vi implementerade partiklar som ligger något under domänväggens bredd. Denna förgrovning innebär en mindre specifik yta och minskad den inre spänningsnivån så att de magnetiska egenskaperna inte påverkades", säger Han.

Multikomponentlegeringssystem för avancerade mjuka magneter

Forskargruppen förverkligade denna designidé i ett flerkomponentlegeringssystem, härlett från konceptet med högentropilegering, innehållande järn, nickel, kobolt, tantal och aluminium med multifunktionella egenskaper, vilket inte är vanligt för konventionella mjuka magneter som huvudsakligen är inriktade på mjukmagnetiska egenskaper. Dessutom är material baserade på det nya legeringssystemet lättare att tillverka och har längre livslängd än de konventionella magnetiska materialen.

"Med hjälp av beräkningar och maskininlärning försöker vi nu hitta sätt att minska kostnaderna för den föreslagna legeringen genom att minska mängden av de dyra grundämnena, som kobolt, och genom att hitta substitut med liknande egenskaper", säger Dr Fernando Maccari, postdoktor i gruppen Functional Materials vid TU Darmstadt och andra författare till publikationen. Magnetiska egenskaper undersöktes vid TU Darmstadt, medan utformningen av sammansättningen och karaktäriseringen av legeringen gjordes vid MPIE.

Legeringssammansättningen som används här fungerar som ett modellsystem för flerkomponentlegeringar. Konceptet med att använda flerkomponentlegeringar är inte begränsat till mjuka magnetiska material, utan är tillämpbart för avancerade legeringar med nya och ovanliga kombinationer av funktionella och mekaniska egenskaper. + Utforska vidare

En mekanism för att designa högentropilegeringar med förbättrade magnetiska egenskaper