[論文レビュー] A mechanically strong and ductile soft magnet with extremely low coercivity

Liuliu Han, Fernando Maccari+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2022

Magnetic Properties of Alloys被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、超低コーシング（78 A/m）を維持したまま、極めて高い引張り強度（1336 MPa）と延性（54%延長）を達成するFe-Co-Ni-Ta-Al多要素系軟磁性合金を提示する。設計は、不帯電の共格性パラ磁性ナノ粒子（約91 nm、約55%体積分率）を用い、不純物の磁気ドメイン壁のピン留めを著しく低減するとともに、転位の動きを効果的に妨げ、同時に高い強度と軟磁性性能を両立させる。

ABSTRACT

Soft magnetic materials (SMMs) serve in electrical applications and sustainable energy supply, allowing magnetic flux variation in response to changes in applied magnetic field, at low energy loss1. The electrification of transport, households and manufacturing leads to an increase in energy consumption due to hysteresis losses2. Therefore, minimizing coercivity, which scales these losses, is crucial3. Yet, meeting this target alone is not enough: SMMs in electrical engines must withstand severe mechanical loads, i.e., the alloys need high strength and ductility4. This is a fundamental design challenge, as most methods that enhance strength introduce stress fields that can pin magnetic domains, thus increasing coercivity and hysteretic losses5. Here, we introduce an approach to overcome this dilemma. We have designed a Fe-Co-Ni-Ta-Al multicomponent alloy with ferromagnetic matrix and paramagnetic coherent nanoparticles (~91 nm size, ~55% volume fraction). They impede dislocation motion, enhancing strength and ductility. Their small size, low coherency and small magnetostatic energy create an interaction volume below the magnetic domain wall width, leading to minimal domain wall pinning, thus maintaining the soft magnetic properties. The alloy has a tensile strength of 1336 MPa at 54% tensile elongation, extremely low coercivity of 78 A/m (<1 Oe), moderate saturation magnetization of 100 Am2/kg, and high electrical resistivity of 103 μΩ u Ohm cm.

研究の動機と目的

• 軟磁性材料（SMM）における機械的強度と磁気軟性の根本的トレードオフを克服すること。
• 電気機器に不可欠な高機械的応力下でも極めて低いコーシングを維持できる軟磁性合金の開発。
• 磁気ヒステリシス損失を増加させることなく、強度を向上させる共格性ナノ粒子を有する微細組織の設計。
• 単相多要素合金において、高引張強度、延性、低コーシング、中程度の磁化飽和を同時に実現すること。

提案手法

• フェロ磁性行列とパラ磁性共格性ナノ粒子（約91 nm、約55%体積分率）を有するFe-Co-Ni-Ta-Al多要素合金の設計。
• 共格性ナノ粒子を用いて転位の動きを妨げ、磁気ドメイン壁のピン留めを著しく低減させることで、引張強度と延性を向上。
• ナノ粒子のサイズと共格性を最適化し、磁気ドメイン壁のエネルギー障壁が粒子のサイズ以下になるように調整し、ドメイン壁のピン留めを最小限に抑える。
• 高い電気抵抗率（103 µΩ·cm）を活用し、渦電流損失を低減。コーシング低減と併せて、ヒステリシス損失および総エネルギー損失の低減を実現。
• 電子線顕微鏡およびX線回折を用いた微細組織の評価により、ナノ粒子の共格性と分布状態を確認。
• 磁気的および機械的特性の測定により、コーシング、磁化飽和、引張強度、延長率を定量的に評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 軟磁性合金が、従来のトレードオフを克服して、同時に高機械的強度と超低コーシングを達成できるか。
• RQ2 共格性パラ磁性ナノ粒子は、フェロ磁性行列内での転位の動きと磁気ドメイン壁のダイナミクスにどのように影響を与えるか。
• RQ3 磁気ドメイン壁のピン留めを最小限に抑えつつ、強度向上効果を最大化するためのナノ粒子のサイズ、体積分率、共格性は何か。
• RQ4 高い電気抵抗率と低コーシングの組み合わせが、軟磁性材料の総エネルギー損失をどの程度低減できるか。
• RQ5 多要素Fe-Co-Ni-Ta-Al合金は、延性と高強度を維持しながらも、軟磁性特性を保持できるか。

主な発見

• 合金は引張強度1336 MPa、延長率54%を示し、優れた延性と強度を同時に達成している。
• コーシングは78 A/m（<1 Oe）にまで低下し、バルク軟磁性材料として報告された中で最も低い値の一つである。
• パラ磁性ナノ粒子（体積分率55%、直径約91 nm）は基体と共格しており、磁気ドメイン壁との相互作用が極めて小さい。
• ナノ粒子の相互作用領域は、磁気ドメイン壁の幅よりも小さいため、ドメイン壁のピン留めは顕著に発生しない。
• 磁化飽和は100 Am²/kgに達し、中程度ではあるが、高効率電気機器用途に適している。
• 電気抵抗率は103 µΩ·cmで測定され、動的応用における渦電流損失の低減に寄与している。