Un magnete morbido meccanicamente forte e duttile con coercività estremamente bassa

Natura volume 608, pagine 310–316 (2022)Citare questo articolo

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I materiali magnetici morbidi (SMM) servono nelle applicazioni elettriche e nella fornitura di energia sostenibile, consentendo la variazione del flusso magnetico in risposta ai cambiamenti nel campo magnetico applicato, con una bassa perdita di energia1. L’elettrificazione dei trasporti, delle famiglie e dell’industria manifatturiera porta ad un aumento del consumo energetico a causa delle perdite per isteresi2. Pertanto, è fondamentale ridurre al minimo la coercitività, che ridimensiona queste perdite3. Tuttavia, raggiungere questo obiettivo da solo non è sufficiente: gli SMM nei motori elettrici devono resistere a carichi meccanici severi; cioè, le leghe necessitano di elevata resistenza e duttilità4. Si tratta di una sfida progettuale fondamentale, poiché la maggior parte dei metodi che migliorano la resistenza introducono campi di stress che possono bloccare i domini magnetici, aumentando così la coercività e le perdite per isteresi5. Qui introduciamo un approccio per superare questo dilemma. Abbiamo progettato una lega multicomponente Fe-Co-Ni-Ta-Al (MCA) con matrice ferromagnetica e nanoparticelle coerenti paramagnetiche (circa 91 nm di dimensione e circa il 55% di frazione in volume). Impediscono il movimento delle lussazioni, migliorando la resistenza e la duttilità. Le loro dimensioni ridotte, il basso stress di coerenza e la piccola energia magnetostatica creano un volume di interazione al di sotto della larghezza della parete del dominio magnetico, portando a un bloccaggio minimo della parete del dominio, mantenendo così le proprietà magnetiche morbide. La lega ha una resistenza alla trazione di 1.336 MPa con un allungamento a trazione del 54%, una coercività estremamente bassa di 78 A m−1 (meno di 1 Oe), una magnetizzazione di saturazione moderata di 100 A m2 kg−1 e un'elevata resistività elettrica di 103 μΩ cm.

La coercività più bassa possibile e la resistività elettrica più alta possibile sono gli obiettivi primari degli SMM, per ridurre le perdite di energia legate all'isteresi e alle correnti parassite, il rumore e i danni materiali associati1,2,3. Inoltre, sono necessari nuovi SMM con maggiore resistenza e duttilità, per operare in condizioni di carico meccanicamente impegnative per parti critiche per la sicurezza nei trasporti e nell’energia4. L'elevata resistenza e la duttilità servono anche come misure per molte altre proprietà meccaniche, come l'elevata durezza5 e la resistenza alla frattura6. Questo profilo multi-proprietà crea un dilemma fondamentale. La resistenza meccanica dei materiali metallici è prodotta dai difetti reticolari e dalle loro interazioni elastiche con i difetti reticolari lineari che comportano deformazioni anelastiche, denominate dislocazioni. Tuttavia, i difetti interagiscono anche con le pareti del dominio magnetico e le fissano. La perdita del movimento delle pareti del dominio aumenta la coercività, così che i materiali perdono le loro caratteristiche magnetiche morbide. Pertanto, gli attuali SMM seguono la regola di progettazione di evitare difetti reticolari per ridurre al minimo la coercività7. D'altra parte, per aumentare la resistenza meccanica di una lega è necessario aumentarne il livello di stress interno attraverso difetti quali dislocazioni, bordi di grano e precipitati8. Ciò significa che il compito di rendere i magneti morbidi meccanicamente forti è un compromesso tra due strategie di progettazione reciprocamente esclusive, vale a dire la resistenza meccanica rispetto al movimento inalterato della parete del dominio.

La teoria della dipendenza dalla dimensione dei grani della coercività9 mostra la sua proporzionalità alla sesta potenza della dimensione dei grani per il caso dei materiali nanocristallini, relazione che può essere applicata anche alle particelle10. L'attuale progettazione degli SMM si è quindi concentrata sull'utilizzo di particelle piccole (meno di 15 nm)10,11 e dimensioni dei grani (meno di 100 nm)12,13,14. Secondo la teoria della deformazione magnetica, la coercività dipende dall’energia richiesta per spostare le pareti del dominio per superare le barriere reticolari15. Qui introduciamo le particelle in una matrice di soluzione solida massiccia multicomponente e ne aumentiamo le dimensioni dall'intervallo comunemente usato di 5–15 nm a 90–100 nm. In questo modo, il livello di stress interno e l'energia complessiva di disadattamento della coerenza elastica vengono ridotti attraverso la minore area superficiale specifica (area superficiale totale per unità di volume) delle particelle, causata dall'ingrossamento. Proponiamo quindi che la progettazione delle particelle debba seguire quattro regole principali. Innanzitutto, un fissaggio minimo delle pareti del dominio richiede una distribuzione dimensionale delle particelle ben sintonizzata e ben controllata con un equilibrio ottimale tra la diminuzione dell'area superficiale specifica e l'aumento dell'energia magnetostatica durante l'ingrossamento delle particelle. In secondo luogo, la dimensione delle particelle deve rimanere inferiore alla larghezza della parete del dominio per evitare un forte pinning, ovvero una forte resistenza alla rotazione dello spin8. In terzo luogo, la composizione chimica e la struttura cristallina delle particelle determinano la loro magnetizzazione di saturazione; pertanto, gli elementi antiferromagnetici sono solitamente esclusi. In quarto luogo, il rafforzamento delle leghe è determinato dall'interazione tra dislocazioni e particelle e dalle forze di attrito esercitate sulle dislocazioni nella matrice massiccia della soluzione solida. Pertanto, vengono prese di mira le particelle intermetalliche intrinsecamente forti con un disadattamento reticolare minimo. Questi richiedono forze elevate per il taglio delle dislocazioni (fornendo resistenza), ma i tagli ripetuti con le conseguenti dislocazioni emesse dalla stessa fonte li tagliano con graduale facilità lungo le sezioni trasversali delle particelle rimanenti e riducendo gradualmente (fornendo duttilità).