Hợp kim Nanocrystalline từ mềm: Vật liệu

Victorino Franco

Departamento de Física de la Materia Condensada, ICMSE-CSIC Universidad de Sevilla, P.O. Box 1065, 41080, Sevilla, Spain

[email protected]

Giới thiệu

Vật liệu từ tính thấm vào nhiều hoạt động hàng ngày trong cuộc sống của chúng ta.¹ Chúng là những thành phần thiết yếu của sự đa dạng các sản phẩm bao gồm ổ cứng lưu trữ thông tin đáng tin cậy trên máy tính của chúng tôi, nam châm trang trí giữ danh sách mua sắm gắn liền với cửa tủ lạnh, xe đạp điện giúp tăng tốc độ di chuyển đến nơi làm việc, cũng như tua bin gió để chuyển đổi năng lượng gió thành năng lượng điện. Trong khi nam châm vĩnh viễn yêu cầu vật liệu duy trì từ hóa của chúng ngay cả dưới ảnh hưởng của các kích thích bên ngoài, vật liệu từ mềm có thể dễ dàng thay đổi từ hóa của chúng khi các điều kiện bên ngoài yêu cầu nó. Nam châm vĩnh viễn yêu cầu từ hóa so với vòng trễ từ trường, M(H), phải rộng, với một trường cưỡng chế lớn để cho phép năng lượng được lưu trữ trong vật liệu. Ngược lại, vật liệu từ tính mềm đòi hỏi một vòng trễ hẹp, ngụ ý việc sử dụng một lượng nhỏ năng lượng để từ hóa vật liệu. Vì diện tích của vòng lặp có liên quan đến tổn thất năng lượng trong quá trình từ hóa tuần hoàn của vật liệu, một trường cưỡng chế thấp ngụ ý hiệu quả năng lượng tốt hơn của ứng dụng cuối cùng trong đó vật liệu từ mềm được sử dụng.

Ngoài từ hóa bão hòa (_Ms), các tính chất liên quan nhất của vật liệu từ mềm là từ trường cưỡng bức (_HC) và tính thấm từ (μ_{r )}. Tối đa hóa _Ms và mr sử dụng ít vật liệu hơn để đạt được cùng giá trị của mômen từ (_{Ms )}và phản ứng lớn hơn với trường kích thích (μ_r). Ngược lại, vật liệu từ tính mềm được tối ưu hóa có giá trị thấp nhất có thể của _HC. Từ quan điểm thực tế, các giá trị lớn μ rimply cho rằng độ thấm và tính nhạy cảm (χ) có thể hoán đổi cho mục đích mô tả các tính chất của vật liệu, thể hiện bằng μ_r = 1 + χ ≈. tính nhạy cảm lớn đòi hỏi sự chú ý bổ sung khi mô tả vật liệu từ tính. Từ trường được cảm nhận bởi mẫu, từ trường bên trong _Hi, không trực tiếp là trường áp dụng _Ha, mà phụ thuộc vào yếu tố khử từ (N) của mẫu: _Hi = _Ha NM. Nếu chúng ta bỏ qua sự khác biệt giữa các trường nội bộ và ứng dụng và chúng ta xem xét rằng tính nhạy cảm rõ ràng của mẫu (χ_A) liên quan đến từ hóa và trường áp dụng (thay vì từ hóa và trường nội tại liên quan, đại diện cho độ nhạy cảm nội tại của vật liệu, χ) chúng ta có được:

Do đó, đối với các mẫu có giá trị lớn của  vật liệu làm từ vật liệu có giá trị lớn , độ nhạy rõ ràng không phụ thuộc vào giá trị thực tế của độ nhạy của vật liệu, mà chỉ dựa trên yếu tố khử từ, như: Χ_A ≈ 1/N (phương trình 2).

Do đó, phép đo chỉ phụ thuộc vào hình dạng của mẫu. Để tránh hiện tượng này, các hình học thu nhỏ cực tiểu N, chẳng hạn như các dây dài được từ hóa dọc theo trục của chúng, các mẫu phẳng được từ hóa trong mặt phẳng hoặc các hình xuyến được từ hóa theo hướng hình xuyến được sử dụng tốt nhất. Như một hệ quả trực tiếp của phương trình 2, trường bên trong bị hủy bỏ, che chắn từ trường khỏi một vùng không gian. Trên thực tế, một lồng được làm bằng cách sử dụng vật liệu từ mềm với độ nhạy lớn cung cấp một đường dẫn cho từ trường, giảm thiểu giá trị của nó trong bên trong lồng. Điều này giải thích lý do tại sao mu-metal^®, với các giá trị độ thấm tương đối theo thứ tự 500.000, được sử dụng trong loại ứng dụng này.

Các ấn phẩm khoa học về nam châm mềm đã tăng đều đặn trong những thập kỷ qua. Ví dụ, việc phát hiện ra hợp kim FINEMET^® với các tính chất từ tính mềm nổi bật của nó đã làm cho lĩnh vực này hấp dẫn hơn đối với các nhà nghiên cứu.² Một so sánh giữa số lượng bài báo được xuất bản trên nam châm mềm với những bài viết trên nam châm cứng hoặc vĩnh viễn (Hình 1), cho thấy trường sau này đã hoạt động nhiều hơn trong những năm gần đây. Nghiên cứu tăng tốc về vật liệu tinh thể nano từ mềm ở châu Á được coi là một động lực chính của sự tăng trưởng trong lĩnh vực này. Sự quan tâm tăng cường này đã tạo ra nhu cầu và tiêu thụ thép điện ngày càng tăng kể từ năm 2008, thúc đẩy lắp đặt các máy biến áp mới để cải thiện độ tin cậy của lưới điện và giảm tổn thất năng lượng. Kết nối giữa hiệu quả năng lượng và nam châm mềm sẽ giúp di chuyển nghiên cứu hợp kim tinh thể nano từ tính mềm trở lại tiền tuyến trong tương lai.

Bài viết này cung cấp một cái nhìn tổng quan ngắn gọn về các hợp kim tinh thể nano từ mềm. Như đã nêu ở trên, mục tiêu chính của việc tối ưu hóa các vật liệu này là để đạt được sự cưỡng bức thấp nhất có thể. Ở đây, chúng ta xem xét các họ quan trọng nhất của nam châm mềm nano tinh thể với mô tả về các đặc tính điển hình của chúng và cách thành phần và xử lý của chúng cho phép tối ưu hóa các tính chất này. Cuối cùng, chúng ta trình bày một triển vọng về các lĩnh vực quan tâm trong tương lai tiềm năng.

Hình 1. Sự phát triển của số lượng ấn phẩm xuất hiện trong Chỉ số trích dẫn Khoa học mở rộng trên vật liệu từ mềm và nam châm vĩnh viễn kể từ năm 1980. Chuỗi tìm kiếm dùng cho tìm kiếm được cung cấp trong nhãn.

Desired Properties

Sự phụ thuộc của sự hợp lực vào kích thước tinh thể thể hiện hai chế độ hành vi khác nhau. Phương pháp truyền thống giảm sự thô tục trong vật liệu từ mềm trong lịch sử là tăng kích thước hạt vì điều này làm giảm số lượng ranh giới hạt hoạt động như trung tâm ghim cho các bức tường miền. Bằng cách tăng kích thước hạt từ 100 nm đến 100 μm, có thể giảm HC từ ~ 10.000 A / m xuống các giá trị theo thứ tự 1 A / m. Phản ví dụ của cách tiếp cận này xuất hiện với sự xuất hiện của vật liệu vô định hình và tinh thể nano. Bằng cách giảm kích thước hạt thành các giá trị theo thứ tự 10 nm hoặc thậm chí làm cho sự vô định hình rắn, sự thô tục giảm để đạt được các giá trị tương đương với các tinh thể rất lớn. Tính đến một cấu trúc vô định hình, theo định nghĩa, đầy đủ các khiếm khuyết, lập luận trước đây về việc giảm sự cộng sản với sự giảm nồng độ khuyết tật không còn đúng nữa. Hành vi đặc trưng này có thể được giải thích với Random Anisotropy Model (RAM) của Alben, Becker và Chi 3and đã được áp dụng cho các hợp kim tinh thể nano của Herzer.⁴

Mô hình dị hướng ngẫu nhiên: Một lời giải thích dựa trên sự tương tự

Một lời giải thích chính thức về RAM vẫn khó nắm bắt cho các nhà nghiên cứu quan tâm nhiều hơn đến tính chất vật liệu hơn là sự phát triển của các mô hình vật lý. Tuy nhiên, hiểu được vật lý đằng sau mô hình có thể giúp thiết kế vật liệu với hiệu suất mong muốn. Chúng tôi sử dụng một số tương tự lấy từ cuộc sống hàng ngày để nắm bắt khái niệm RAM. Thông điệp ở đây là sự tồn tại của các thang đo độ dài rất khác nhau trong mẫu chịu trách nhiệm cho sự bất đẳng hướng hiệu quả của các hợp kim vô định hình và tinh thể nano, làm phát sinh các giá trị cộng sản cực kỳ thấp.

Ví dụ đầu tiên đưa chúng tôi đi bộ đến một tượng đài truyền thống được tìm thấy ở nhiều thành phố cổ, như Sevilla. Nhiều trong số các thành phố cổ này có patio với một sàn làm bằng đá cuội. Khi đi bộ trên những tầng này, những người đi giày cao gót thường gặp khó khăn hơn khi đi bộ so với những người mang giày đế phẳng. Lời giải thích hợp lý nhất cho hoàn cảnh này là gót cao có kích thước điển hình tương đương với sỏi và khoảng trống giữa chúng để chúng phát hiện chiều cao tối đa và tối thiểu rời rạc của sàn. Giày phẳng trung bình là những bất thường và cho phép chúng ta đi lại đều đặn hơn bởi vì gót chân dài hơn nhiều so với đá cuội và khe hở.

Một ví dụ khác sử dụng hai nam châm tủ lạnh có cùng đặc điểm (lý tưởng là hai nam châm giống nhau). Nam châm loại này được chế tạo bằng cách sử dụng các hạt sắt từ liên kết polymer với cấu trúc miền bao gồm một tập hợp các sọc hướng ra ngoài và vào trong ở một bên, với phía bên kia chứa các miền đóng. Mặt bên với các cánh cửa đóng thường được trang trí và sẽ không dính vào tủ lạnh. Khi một nam châm được đặt trực tiếp lên trên của nam châm khác có cùng hướng (các mặt được trang trí hướng về phía bên ngoài), nam châm sẽ gắn với nhau. Tuy nhiên, khi một nam châm trượt vuông góc với miền sọc, nam châm trên nhảy khi nó di chuyển dọc theo các vùng hấp dẫn và đẩy với chu kỳ tương ứng với chiều rộng miền gấp đôi. Vì cả nam châm trên và dưới đều có cùng chiều dài đặc trưng, tức là chiều rộng của các miền, các mẫu hệ thống năng lượng tối đa và cực tiểu và chúng được phát hiện vĩ mô. Điều này có thể cảm nhận được trong tay chúng tôi khi cố gắng di chuyển nam châm, thường tạo ra âm thanh do sự gắn và tháo rời đột ngột của lá lạt ma linh hoạt. Tuy nhiên, nếu chúng ta quay nam châm trên 90° so với nam châm dưới, theo hướng vuông góc của các miền sọc của cả hai laminae, chuyển động theo bất kỳ hướng nào sẽ trở nên trơn tru. Không phải vì cực đại địa phương và cực tiểu đã biến mất. Vẫn còn có những vùng mà các cực bằng nhau đối diện nhau và do đó đẩy lùi, cũng như các khu vực trong đó các cực đối diện nằm trên nhau, tạo ra sự thu hút. Sự khác biệt đối với tình huống trước đó là bất kỳ vị trí nào của nam châm trên cùng một lượng các khu vực hấp dẫn và đẩy ra. Tính chu kỳ của nam châm dưới vẫn là chiều rộng của các miền, trong khi tính chu kỳ của nam châm trên quay về chiều dài của nam châm. Vì một loại lớn hơn nhiều so với loại khác, chúng ta không thể phát hiện vĩ mô sự khác biệt năng lượng cục bộ và nam châm thay thế êm ái, tương tự như giày đế phẳng trên sân bóng đá.

Một mô hình đơn giản cho hợp kim Nanocrystalline

Hợp kim Nanocrystalline cũng có thể được mô hình hóa theo kiểu đơn giản như một tập hợp các hạt nano một miền (hiển thị như hình vuông trong hình 2A) với kích thước hạt điển hình là 10 nm và với các trục đơn hướng ngẫu nhiên. Ngay cả khi tinh thể nano gốc Fe có dị hướng từ tinh thể lập phương, chúng ta vẫn xem xét dị hướng đơn trục trong mô hình hiện tại. Chúng ta sẽ chỉ ra rằng dị hướng hiệu quả gần như trung bình đến 0, do đó giả định đối xứng này không ảnh hưởng đến kết luận của chúng ta. Xem xét trường hợp kích thước miền (kết nối với chiều dài tương quan từ và được đánh dấu là một hình vuông trắng dày trong hình 2B) có thể so sánh với chiều dài tương quan cấu trúc (kích thước hạt trong hình 2A). Giả sử chúng ta có một miền trong đó từ hóa được định hướng theo hướng ngang bên trong hình vuông trắng, chúng ta mã hóa màu năng lượng dị hướng của các tinh thể khác nhau từ màu xanh (năng lượng dị hướng tối thiểu) sang màu đỏ (năng lượng dị hướng tối đa). Thật dễ thấy trong hình rằng nó không tương đương với việc thay thế miền này theo tất cả các hướng, vì trong một số trường hợp, chúng ta có được các ô vuông màu xanh lam (khi di chuyển sang phải), trong khi chúng ta không nhận thấy sự khác biệt đáng kể về màu đỏ hoặc màu xanh khi di chuyển lên vì có sự dị hướng trong sự dịch chuyển của miền. Khi chúng ta giảm dần kích thước hạt trong khi giữ cho kích thước miền không đổi, sự khác biệt về năng lượng sẽ trở nên nhỏ hơn khi chúng ta di chuyển miền theo bất kỳ hướng nào, trở nên không đáng kể dưới một kích thước hạt nhất định. Mỗi hạt có năng lượng dị hướng riêng, nhưng toàn bộ hệ thống không có tính dị hướng. Để thực hiện mô phỏng này một cách định lượng hơn, chúng ta tạo ra các lưới khác nhau bằng cách sử dụng các tỷ lệ kích thước hạt khác nhau với kích thước miền và đặt miền tương quan ở tất cả các vị trí trong lưới, tính tổng giá trị năng lượng ở mỗi vị trí và chênh lệch giữa giá trị năng lượng tối đa và tối thiểu cho mỗi lưới. Khi ta vẽ sự khác biệt về năng lượng như là một hàm của số hạt bên trong mỗi miền, N, chúng ta rõ ràng quan sát một xu hướng giảm có thể phù hợp với  định luật 1 /√Ν. Tính đến mô hình này, dị hướng là một hàm của sự khác biệt về năng lượng cho mỗi vị trí của miền trong  lưới, chúng ta quan sát thấy sự dị hướng hiệu quả, K*, tương ứng với K* = K /√Ν, trong đó  KIS sự dị hướng của các tinh thể. Đây là kết quả tương tự thu được chính thức từ RAM và bắt nguồn từ sự khác biệt giữa chiều dài tương quan từ và chiều dài tương quan cấu trúc. Như một hệ quả của cuộc thảo luận này, khi kích thước hạt giảm đáng kể dưới độ dài tương quan trao đổi, sự dị hướng hiệu quả giảm xuống về 0 và làm cho coercivity thực tế là null.

Lời giải thích đơn giản này, trong khi giữ bản chất của hiện tượng học, đã được cải thiện bằng cách xem xét các hợp kim tinh thể nano không chỉ được hình thành bởi các tinh thể nano, mà chúng là các hệ thống hai pha trong đó các tinh thể nano được nhúng vào một ma trận vô định hình còn lại, cũng là sắt từ. Các mô hình phức tạp hơn cho vật liệu đa pha đã được phát triển^5, 6that cũng bao gồm sự đóng góp của năng lượng từ tính.

Hình 2. A) Tập hợp các hạt có kích thước Lc với dị hướng đơn ngẫu nhiên. B) Năng lượng mã hóa màu của các tinh thể như vậy nếu sự từ hóa của chúng là ngang, cho thấy một kích thước cụ thể của độ dài tương quan từ LM. C) Sự khác biệt tương đối về năng lượng của vùng tương quan khi được đặt trong tất cả các khu vực khác nhau của tập hợp, như là một hàm của số tinh thể bên trong vùng tương quan (bằng cách thay đổi tỷ lệ LM/Lc); bên trong: Biểu đồ logarit và phù hợp tuyến tính với dữ liệu, cho thấy 1 /√Ν phụ thuộc.

Hợp kim Nanocrystalline từ mềm

Như đã chỉ ra trong phần trước, thu được các vật liệu trong đó chiều dài tương quan trao đổi lớn hơn nhiều so với chiều dài tương quan cấu trúc sẽ dẫn đến dị hướng từ tính hiệu quả không đáng kể khi so sánh với dị hướng từ tinh thể của vật liệu khối. Trong thực tế, điều này có thể đạt được bằng cách kết tinh có kiểm soát của một hợp kim vô định hình tiền chất.

Một bước đột phá lớn trong lĩnh vực nghiên cứu này đã diễn ra với việc phát hiện ra hợp kim FINEMET ® của Yoshizawa, Oguma và Yamaguchi vào năm 1988.² Hợp kim này được hình thành từ Fe, Si, và B, với các bổ sung nhỏ của Cu và Nb, và có thành phần hợp kim điển hình của Fe_73,5Si_13,5B₉Cu₁Nb₃. Hợp kim thường được chế tạo bằng cách sử dụng các kỹ thuật đông đặc nhanh như quay nóng chảy để có được tiền chất vô định hình với thành phần mong muốn. Ở giai đoạn này của quá trình chế tạo, vai trò của B là tăng khả năng tạo thủy tinh của hợp kim tiền chất. Sau đó, các ruy băng thu được được gửi đến ủ có kiểm soát, thường là 1 h ở nhiệt độ theo thứ tự 500 °C để có được cấu trúc vi mô mong muốn của tinh thể nano α-FeSi với kích thước hạt điển hình 10 nm được nhúng trong ma trận vô định hình sắt từ dư. Vai trò của Cu là ủng hộ sự tạo hạt của tinh thể nano thông qua sự phân tách trước hoặc ở giai đoạn đầu của quá trình tinh thể nano. Ngược lại, Nb khuếch tán chậm tích lũy ở ranh giới của các tinh thể nano mới nổi và cản trở sự phát triển của hạt.

Cấu trúc vi mô đặc biệt này tạo ra các tính chất từ tính mềm tối ưu được tìm thấy trong loại hợp kim này; cặp tinh thể nano từ tính thông qua ma trận sắt từ vô định hình trong đó chúng được nhúng, làm cho độ dài tương quan từ lớn hơn nhiều so với kích thước của tinh thể nano và tính trung bình dị hướng từ tinh thể xuống bằng không. Tuy nhiên, dị hướng từ tinh thể không phải là nguồn duy nhất của sự thô lỗ. Dị hướng Magnetoelastic cũng đóng một vai trò quan trọng. Tuy nhiên, dấu hiệu khác nhau của hằng số từ độ bão hòa của hai pha sắt từ (âm với tinh thể nano, dương tính với ma trận vô định hình) có nghĩa là, đối với một lượng thích hợp của phân số tinh thể, nguồn dị hướng này cũng biến mất. Điều này làm cho FINEMET trở thành một trong những vật liệu mềm nhất được biết đến cho đến nay, với sự ép buộc dưới 1 A / m. Các biến thể thành phần của hợp kim tạo ra hàm lượng Si hơi khác nhau trong tinh thể nano, làm thay đổi giá trị của hằng số từ tính của chúng. Điều này thay đổi tính dị hướng từ tính tổng thể và thay đổi tỷ lệ tinh thể tối ưu để giảm thiểu sự thô ráp, hoặc ngăn chặn từ tính tổng thể khỏi biến mất.⁷

Sự phụ thuộc của sự cộng sinh vào nhiệt độ ủ, tức là, thay đổi cấu trúc vi mô, được minh họa trong Hình 3.⁸ Như đúc, hợp kim vô định hình được coi là mềm cho hầu hết các ứng dụng. Ủ ở nhiệt độ dưới giai đoạn kết tinh đầu tiên tạo ra sự giảm cộng hưởng do quá trình thư giãn căng thẳng, làm giảm dị hướng từ tính. Sự xuất hiện của các tinh thể nano đầu tiên làm tăng sự cộng hòa bằng cách đóng vai trò là trung tâm ghim cho các thành miền và bằng cách gây ra các ứng suất mới trong mẫu. Tăng nhiệt độ ủ làm tăng thêm tỷ lệ thể tích tinh thể. Khi phân số đủ lớn, các tinh thể nano được ghép từ tính thông qua ma trận vô định hình sắt từ, trung bình dị hướng từ tinh thể theo mô hình dị hướng ngẫu nhiên mở rộng đến các hệ thống hai pha.^{Năm 5,6} Cuối cùng, sự khởi đầu của giai đoạn kết tinh thứ hai, với sự kết tủa của các pha loại borua sắt dị hướng cao, làm tăng sự thô ráp đến mức vật liệu không được sử dụng như một nam châm mềm.

Hình 3. Sự phụ thuộc nhiệt độ của hệ thống nhiệt độ phòng và tính nhạy cảm ban đầu của hợp kim Fe76Cu1Nb3Si10.5B9.5.

Chế tạo và chế biến

Các phương pháp phổ biến nhất để thu được vi cấu trúc tinh thể nano bao gồm ủ thông thường trong lò hoặc nung nóng Joule / ủ flash, tức là truyền một dòng điện qua một mẫu để làm nóng nó theo cách được kiểm soát. Phương pháp thứ hai đã được chứng minh hữu ích trong việc giảm độ giòn của tinh thể nano samples9 và cũng được kết hợp với ứng dụng đồng thời của ứng suất cơ học.¹⁰ Xử lý hợp kim dưới tác động kết hợp của nhiệt độ và từ trường cũng hữu ích cho việc gây ra dị hướng trong các hợp kim và do đó, kiểm soát hình dạng của vòng trễ, làm cho chúng phù hợp hơn cho một số ứng dụng nhất định.^11-13

Mặc dù đã có những nỗ lực để sản xuất các hợp kim nano tinh thể siêu mềm này bằng cách sử dụng hợp kim cơ học của bột nguyên tố nguyên tố tinh khiết, sự thô bỉ của các loại bột này cao hơn đáng kể so với thu được cho các mẫu hình ruy băng.¹⁴ Sự gia tăng dị hướng từ tính do các chủng vi mô bổ sung và giảm tính di động của các thành miền do kích thước của các hạt bột là nguyên nhân chính của sự gia tăng tính thô. Điều quan trọng là phải xem xét những khó khăn trong việc kết hợp B vào hợp kim, mặc dù bắt đầu từ bột B vô định hình hoặc tinh thể.¹⁵

Hiệu ứng thành phần

Trong những năm gần đây, đã có nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của thành phần đối với các tính chất từ mềm của hợp kim vô định hình và nano tinh thể. Do sự ngắn gọn cần thiết của bài báo này, người đọc được tham khảo tài liệu để nhận xét toàn diện hơn.^16,17 Ngoài hợp kim FINEMET ® và các biến thể của nó đã được đề cập trong bài báo này, ba họ hợp kim tinh thể nano liên quan nhất cho các ứng dụng từ tính mềm là NANOPERM^®, HITPERM và NANOMET^®. Hợp kim NANOPERM có thành phần điển hình của Fe₈₈Zr₇B₄Cu.^18,19 Hàm lượng Fe lớn hơn và lượng B thấp hơn làm tăng từ hóa bão hòa của nó đối với hợp kim FINEMET. Pha tinh thể nano bao gồm α-Fe, trái ngược với hợp kim FINEMET cũng chứa Si trong tinh thể nano. Điều này đã làm cho các hợp kim này trở thành một hệ thống ưa thích để nghiên cứu quá trình tinh thể nano thông qua quang phổ Mossbauer.²⁰

Hợp kim HITPERM được thiết kế như vật liệu từ tính mềm có nhiệt độ cao.²¹ Sáng tác ban đầu của họ là Fe₄₄Co₄₄Zr₇B₄Cu, trong đó Co phục vụ hai mục đích. Trên một mặt, nó giúp tối đa hóa mômen từ, vì hợp kim Fe-Co nằm ở đỉnh của đường cong Slater-Pauling. Mặt khác, Co làm tăng nhiệt độ Curie của cả pha vô định hình còn lại và tinh thể nano (là α-FeCo và α-FeCo) và cho phép hoạt động của hợp kim HITPERM ở nhiệt độ lớn hơn nhiều so với các gia đình khác. Nhưng đối với các ứng dụng nhiệt độ cao, thách thức không chỉ liên quan đến nhiệt độ Curie của các pha, mà vì chúng ta đang đối phó với các vật liệu siêu bền, chúng ta còn phải tính đến nhiệt độ mà tại đó quá trình biến đổi vi cấu trúc sẽ diễn ra. Họ hợp kim này đáp ứng cả hai yêu cầu.

Bổ sung mới nhất cho các họ hợp kim tinh thể nano từ mềm là hợp kim NANOMET, với thành phần điển hình Fe_83,3–84,3Si4B8P_3–4Cu_0,7.²² NANOMET được phát triển để tăng từ hóa bão hòa và giảm thiểu chi phí vật liệu bằng cách giảm hoặc loại bỏ các bổ sung kim loại của Nb, Zr, Mo và Cu thường được yêu cầu trong các họ hợp kim để đạt được cấu trúc vi thể tinh thể nano. Các hợp kim tinh thể nano này cho thấy sự từ hóa bão hòa cao, tương đương với các hợp kim từ mềm tinh thể Fe-Si thương mại, và độ bền thấp.

Bất kể họ hợp kim, nam châm mềm nano tinh thể phải được tối ưu hóa cho các điều kiện vận hành cụ thể. Vật liệu có hiệu suất tốt ở nhiệt độ phòng nhiều khả năng sẽ không thích hợp cho các ứng dụng làm lạnh cryo. Các nghiên cứu ứng dụng sinh hàn của các hiệu ứng thành phần trong chuỗi hợp kim (Fe,Si,Al)NbBCu cho thấy việc lựa chọn thích hợp tỷ lệ Fe:Si:Al cho phép kết hợp tối ưu của từ hóa bão hòa cao, độ bền thấp và điện trở lớn ở nhiệt độ nitơ lỏng.²³ Trong một ví dụ gần đây khác, nhiệt độ Curie của hợp kim vô định hình và nano được điều chỉnh bởi sự thay đổi thành phần của tỷ lệ Co:Ni trong Fe_882xCoxN_ixZr₇B₄Cu 1alloy series với mục đích phân tích tiềm năng của hợp kim vô định hình gốc Fe cho nhiệt độ phòng làm lạnh từ tính.^{Năm 24} , Fe_88–2xC_oxN_ixZr₇B₄Cu 1alloy series thể hiện dung tích môi chất lạnh lớn nhất (RC) của các hợp kim vô định hình gốc Fe được tìm thấy cho đến nay, trong khi vẫn giữ một trong những thay đổi entropy từ lớn nhất giữa các hợp kim vô định hình dựa trên Fe. Đối với điện lạnh từ, có vẻ như ² 6alloys các hợp kim dựa trên 2 5and Ni dựa trên tinh thể nano Fe không phù hợp và vô định hình được ưa thích, vì đỉnh thay đổi entropy từ tính của hợp kim tinh thể nano hai pha được phân chia giữa quá trình chuyển pha từ của pha vô định hình và của tinh thể nano, giảm tổng cường độ của nó.²⁷

Ngoài việc sử dụng làm nam châm mềm, vật liệu từ tính siêu mềm có thể được kết hợp với các vật liệu khác để phát triển nam châm vĩnh cửu nanoscomposite trao đổi, trong đó pha từ mềm nano cale được thêm vào ma trận pha từ cứng, tăng mật độ năng lượng của vật liệu tổng hợp do sự ghép nối trao đổi giữa pha.²⁸

Tuy nhiên, mối quan tâm khoa học về hợp kim tinh thể nano từ tính mềm không chỉ được thúc đẩy bởi các ứng dụng công nghệ của họ và tiềm năng để tăng hiệu quả năng lượng. Bản chất hai pha của chúng, với các pha từ tính với nhiệt độ Curie khác nhau, làm cho chúng trở thành một nơi thử nghiệm tốt để tiến hành các nghiên cứu cơ bản về từ tính. Hợp kim tinh thể nano từ mềm đã được sử dụng để nghiên cứu siêu thuận lực của tinh thể nano nhúng trong ma trận² 9in để phát triển các mô hình tương tác lưỡng cực giữa các hạt nano siêu thuận từ^30–3 3or để đề xuất các thủ tục xác định số mũ quan trọng của các hệ thống từ tính đa pha.²⁶

Kết luận và Outlook

Hợp kim Nanocrystalline nằm trong số các vật liệu từ tính mềm nhất được biết đến với khoa học, và các họ hợp kim khác nhau đã được tối ưu hóa cho các ứng dụng và điều kiện vận hành độc đáo. Ngoài các hiệu ứng thành phần sẽ ảnh hưởng đến tính chất từ tính nội tại, việc sử dụng các phương pháp xử lý khác nhau cho phép tối ưu hóa các tính chất bên ngoài như cưỡng bức.

Lý do vật lý cho các giá trị cực thấp của dị hướng từ và trường cưỡng chế có thể được giải thích bằng cách sử dụng mô hình dị hướng ngẫu nhiên: hai thang đo chiều dài đặc trưng của hợp kim tinh thể nano (kích thước hạt và chiều dài tương quan từ tính) rất khác nhau, và dị hướng không thể được phát hiện về mặt vĩ mô, ngay cả khi mỗi tinh thể nano là dị hướng.

Nam châm mềm hiện đang được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, từ chuyển đổi năng lượng đến cảm biến. Những thách thức còn lại trong sự phát triển của hợp kim tinh thể nano từ mềm bao gồm tối ưu hóa các tính chất vật liệu cho các ứng dụng cụ thể và tăng cường khả năng sử dụng của chúng bằng cách giảm độ giòn và tăng độ ổn định nhiệt của các pha siêu bền. Những mục tiêu này có thể đạt được bằng cách kết hợp các thay đổi thành phần và xử lý hợp kim thích hợp. Điều chỉnh các vòng trễ bằng cách xử lý các vật liệu dưới ảnh hưởng đồng thời của từ trường, ứng suất và nhiệt độ là một con đường hứa hẹn để mở rộng các ứng dụng của nam châm mềm nano tinh thể. Ngoài ra, thiết kế của vật liệu nano từ tính mềm kết hợp trao đổi là một lĩnh vực quan tâm đáng kể trong đó các hợp kim tinh thể nano siêu âm có thể đóng một vai trò. Hơn nữa, sự quan tâm đến hợp kim tinh thể nano mềm không giới hạn trong các ứng dụng công nghệ vì những vật liệu này cũng là một thử nghiệm tốt để phát triển các mô hình cơ bản của vật liệu từ tính đa pha.

Sự công nhận

Công trình này được hỗ trợ bởi MINECO và EU FEDER (dự án MAT2016-77265-R) và PAI của Chính phủ khu vực Andalucia.

Tài liệu tham khảo

1. Gutfleisch O, Willard MA, Brück E, Chen CH, Sankar SG, Liu JP. 2011. Magnetic Materials and Devices for the 21st Century: Stronger, Lighter, and More Energy Efficient. Adv. Mater.. 23(7):821-842. https://doi.org/10.1002/adma.201002180

2. Yoshizawa Y, Oguma S, Yamauchi K. 1988. New Fe?based soft magnetic alloys composed of ultrafine grain structure. Journal of Applied Physics. 64(10):6044-6046. https://doi.org/10.1063/1.342149

3. Alben R, Becker JJ, Chi MC. 1978. Random anisotropy in amorphous ferromagnets. Journal of Applied Physics. 49(3):1653-1658. https://doi.org/10.1063/1.324881

4. Herzer G. 1990. Grain size dependence of coercivity and permeability in nanocrystalline ferromagnets. IEEE Trans. Magn.. 26(5):1397-1402. https://doi.org/10.1109/20.104389

5. Suzuki K, Cadogan JM. Random magnetocrystalline anisotropy in two-phase nanocrystalline systems. Phys. Rev. B. 58(5):2730-2739. https://doi.org/10.1103/physrevb.58.2730

6. Hernando A, Vázquez M, Kulik T, Prados C. Analysis of the dependence of spin-spin correlations on the thermal treatment of nanocrystalline materials. Phys. Rev. B. 51(6):3581-3586. https://doi.org/10.1103/physrevb.51.3581

7. Franco V, Conde CF, Conde A. 1998. Effect of the Si/B ratio on the magnetic anisotropy distribution of Fe73.5Si22.5?xBxCu1Nb3 (x=7,9,16) alloys along nanocrystallization. Journal of Applied Physics. 84(9):5108-5113. https://doi.org/10.1063/1.368807

8. Franco V, Conde C, Conde A, Kiss L. 2000. Superparamagnetic behaviour in an Fe76Cu1Nb3Si10.5B9.5 alloy. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 215-216400-403. https://doi.org/10.1016/s0304-8853(00)00170-0

9. Allia P, Tiberto P, Baricco M, Vinai F. 1993. Improved ductility of nanocrystalline Fe73.5Nb3Cu1Si13.5B9obtained by direct?current joule heating. Appl. Phys. Lett.. 63(20):2759-2761. https://doi.org/10.1063/1.110326

10. Aranda GR, González J, Kul/akowski K, Echeberr??a J. 2000. Stress-annealing in Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9 amorphous alloy ribbon. Journal of Applied Physics. 87(9):4389-4394. https://doi.org/10.1063/1.373082

11. Appino C, Beatrice C, Coisson M, Tiberto P, Vinai F. 2001. Induced anisotropy and magneto-impedance measurements in Fe73.5Nb3Cu1Si13.5B9 nanocrystalline alloys. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 226-2301476-1477. https://doi.org/10.1016/s0304-8853(00)00608-9

12. ?korvánek I, Marcin J, Tur?anová J, Wójcik M, Nesteruk K, Jani?kovi? D, ?vec P. 2007. Field induced anisotropy and stability of soft magnetic properties towards high temperature in Co-rich nanocrystalline FeCoNbB alloys. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 310(2):2494-2496. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2006.11.092

13. Blázquez JS, Marcin J, Varga M, Franco V, Conde A, Skorvanek I. 2015. Influence of microstructure on the enhancement of soft magnetic character and the induced anisotropy of field annealed HITPERM-type alloys. Journal of Applied Physics. 117(17):17A301. https://doi.org/10.1063/1.4906173

14. Blázquez JS, Ipus JJ, Lozano-Pérez S, Conde A. 2013. Metastable Soft Magnetic Materials Produced by Mechanical Alloying: Analysis Using an Equivalent Time Approach. JOM. 65(7):870-882. https://doi.org/10.1007/s11837-013-0616-1

15. Ipus J, Blázquez J, Conde C, Borrego J, Franco V, Lozano-Pérez S, Conde A. 2014. Relationship between mechanical amorphization and boron integration during processing of FeNbB alloys. Intermetallics. 4998-105. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2014.01.018

16. McHenry ME, Willard MA, Laughlin DE. 1999. Amorphous and nanocrystalline materials for applications as soft magnets. Progress in Materials Science. 44(4):291-433. https://doi.org/10.1016/s0079-6425(99)00002-x

17. Willard MA, Daniil M. 2009. Nanostructured Soft Magnetic Materials.373-397. https://doi.org/10.1007/978-0-387-85600-1_13

18. Suzuki K, Makino A, Kataoka N, Inoue A, Masumoto T. 1991. High Saturation Magnetization and Soft Magnetic Properties of bcc Fe–Zr–B and Fe–Zr–B–M (M=Transition Metal) Alloys with Nanoscale Grain Size. Mater. Trans., JIM. 32(1):93-102. https://doi.org/10.2320/matertrans1989.32.93

19. Makino A, Hatanai T, Inoue A, Masumoto T. 1997. Nanocrystalline soft magnetic Fe-M-B (M = Zr, Hf, Nb) alloys and their applications. Materials Science and Engineering: A. 226-228594-602. https://doi.org/10.1016/s0921-5093(96)10693-6

20. Kemeny T, Kaptas D, Kiss LF, Balogh J, Vincze I, Szabo S, Beke DL. 2000. Structure and magnetic properties of nanocrystalline soft ferromagnets. Hyperfine Interact . 130, 181–219.

21. Willard MA, Laughlin DE, McHenry ME, Thoma D, Sickafus K, Cross JO, Harris VG. 1998. Structure and magnetic properties of (Fe0.5Co0.5)88Zr7B4Cu1 nanocrystalline alloys. Journal of Applied Physics. 84(12):6773-6777. https://doi.org/10.1063/1.369007

22. Makino A, Men H, Kubota T, Yubuta K, Inoue A. 2009. FeSiBPCu Nanocrystalline Soft Magnetic Alloys with High B_s of 1.9 Tesla Produced by Crystallizing Hetero-Amorphous Phase. Mater. Trans.. 50(1):204-209. https://doi.org/10.2320/matertrans.mer2008306

23. Daniil M, Osofsky MS, Gubser DU, Willard MA. 2010. (Fe,Si,Al)-based nanocrystalline soft magnetic alloys for cryogenic applications. Appl. Phys. Lett.. 96(16):162504. https://doi.org/10.1063/1.3402775

24. Caballero-Flores R, Franco V, Conde A, Knipling KE, Willard MA. 2010. Influence of Co and Ni addition on the magnetocaloric effect in Fe88?2xCoxNixZr7B4Cu1 soft magnetic amorphous alloys. Appl. Phys. Lett.. 96(18):182506. https://doi.org/10.1063/1.3427439

25. Franco V, Blázquez JS, Conde CF, Conde A. 2006. A Finemet-type alloy as a low-cost candidate for high-temperature magnetic refrigeration. Appl. Phys. Lett.. 88(4):042505. https://doi.org/10.1063/1.2167803

26. Sánchez-Pérez M, Moreno-Ramírez L, Franco V, Conde A, Marsilius M, Herzer G. 2016. Influence of nanocrystallization on the magnetocaloric properties of Ni-based amorphous alloys: Determination of critical exponents in multiphase systems. Journal of Alloys and Compounds. 686717-722. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.06.057

27. Franco V, Conde A. 2012. Magnetic refrigerants with continuous phase transitions: Amorphous and nanostructured materials. Scripta Materialia. 67(6):594-599. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2012.05.004

28. Liu JP, Fullerton E, Gutfleisch O, Sellmyer D. 2009. Nanoscale Magnetic Materials and Applications. https://doi.org/10.1007/978-0-387-85600-1

29. ?lawska-Waniewska A, Gutowski M, Lachowicz HK, Kulik T, Matyja H. Superparamagnetism in a nanocrystalline Fe-based metallic glass. Phys. Rev. B. 46(22):14594-14597. https://doi.org/10.1103/physrevb.46.14594

30. Allia P, Coisson M, Tiberto P, Vinai F, Knobel M, Novak M, Nunes W. Granular Cu-Co alloys as interacting superparamagnets. Phys. Rev. B. 64(14): https://doi.org/10.1103/physrevb.64.144420

31. Allia P, Coisson M, Knobel M, Tiberto P, Vinai F. Magnetic hysteresis based on dipolar interactions in granular magnetic systems. Phys. Rev. B. 60(17):12207-12218. https://doi.org/10.1103/physrevb.60.12207

32. Franco V, Kiss LF, Kemény T, Vincze I, Conde CF, Conde A. High-temperature evolution of coercivity in nanocrystalline alloys. Phys. Rev. B. 66(22): https://doi.org/10.1103/physrevb.66.224418

33. Franco V, Conde CF, Conde A, Kiss LF. Relationship between coercivity and magnetic moment of superparamagnetic particles with dipolar interaction. Phys. Rev. B. 72(17): https://doi.org/10.1103/physrevb.72.174424