Um ímã macio mecanicamente forte e dúctil com coercividade extremamente baixa

Nature volume 608, páginas 310–316 (2022)Cite este artigo

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Os materiais magnéticos macios (SMMs) servem em aplicações elétricas e no fornecimento de energia sustentável, permitindo a variação do fluxo magnético em resposta a mudanças no campo magnético aplicado, com baixa perda de energia1. A eletrificação dos transportes, das residências e da indústria transformadora leva a um aumento do consumo de energia devido às perdas por histerese2. Portanto, minimizar a coercividade, que dimensiona essas perdas, é crucial3. No entanto, atingir esta meta por si só não é suficiente: os SMMs em motores elétricos devem suportar cargas mecânicas severas; isto é, as ligas necessitam de alta resistência e ductilidade4. Este é um desafio fundamental de projeto, já que a maioria dos métodos que melhoram a resistência introduz campos de tensão que podem fixar domínios magnéticos, aumentando assim a coercividade e as perdas por histerese . Aqui apresentamos uma abordagem para superar esse dilema. Projetamos uma liga multicomponente Fe – Co – Ni – Ta – Al (MCA) com matriz ferromagnética e nanopartículas coerentes paramagnéticas (cerca de 91 nm de tamanho e cerca de 55% de fração volumétrica). Eles impedem o movimento de deslocamento, aumentando a resistência e a ductilidade. Seu pequeno tamanho, baixa tensão de coerência e pequena energia magnetostática criam um volume de interação abaixo da largura da parede do domínio magnético, levando a uma fixação mínima da parede do domínio, mantendo assim as propriedades magnéticas suaves. A liga tem uma resistência à tração de 1.336 MPa com 54% de alongamento à tração, coercividade extremamente baixa de 78 A m-1 (menos de 1 Oe), magnetização de saturação moderada de 100 A m2 kg-1 e alta resistividade elétrica de 103 μΩ cm.

A coercividade mais baixa possível e a resistividade elétrica mais alta possível são os objetivos principais dos SMMs, para reduzir as perdas de energia relacionadas à histerese e às correntes parasitas, o ruído e os danos materiais associados . Além disso, são necessários novos SMMs com maior resistência e ductilidade, para operar sob condições de carga mecanicamente exigentes para peças críticas de segurança no transporte e na energia4. Alta resistência e ductilidade também servem como medidas para muitas outras propriedades mecânicas, como alta dureza5 e tenacidade à fratura6. Este perfil de múltiplas propriedades cria um dilema fundamental. A resistência mecânica dos materiais metálicos é produzida por defeitos na rede e suas interações elásticas com falhas lineares na rede que carregam deformação inelástica, chamadas de discordâncias. No entanto, os defeitos também interagem com as paredes do domínio magnético e fixam-nas. A perda no movimento da parede do domínio aumenta a coercividade, de modo que os materiais perdem suas características magnéticas suaves. Portanto, os SMMs atuais seguem a regra de projeto de evitar defeitos na rede para minimizar a coercividade7. Por outro lado, aumentar a resistência mecânica de uma liga requer aumentar o seu nível de tensão interna através de defeitos como discordâncias, contornos de grão e precipitados8. Isto significa que a tarefa de tornar os ímãs macios mecanicamente fortes é uma compensação entre duas estratégias de projeto mutuamente exclusivas, a saber, resistência mecânica versus movimento da parede do domínio não afetado.

A teoria da dependência da coercividade no tamanho do grão9 mostra sua proporcionalidade à sexta potência do tamanho do grão para o caso de materiais nanocristalinos, relação que também pode ser aplicada a partículas10. O projeto atual de SMMs concentrou-se, portanto, no uso de partículas pequenas (menos de 15 nm)10,11 e tamanhos de grãos (menos de 100 nm)12,13,14. De acordo com a teoria da deformação magnética, a coercividade depende da energia necessária para deslocar as paredes do domínio para superar as barreiras da rede . Aqui introduzimos partículas em uma matriz de solução sólida multicomponente massiva e aumentamos seu tamanho da faixa comumente usada de 5–15 nm para 90–100 nm. Com isso, o nível de tensão interna e a energia global de desajuste da coerência elástica são reduzidos através da menor área superficial específica (área superficial total por unidade de volume) das partículas, causada pelo engrossamento. Propomos então que o design das partículas deve seguir quatro regras principais. Primeiro, a fixação mínima das paredes do domínio requer uma distribuição de tamanho de partícula bem ajustada e controlada, com equilíbrio ideal entre a diminuição da área superficial específica e o aumento da energia magnetostática durante o engrossamento das partículas. Em segundo lugar, o tamanho da partícula deve permanecer menor que a largura da parede do domínio para evitar forte fixação, isto é, forte resistência contra a rotação de spin . Terceiro, a composição química e a estrutura cristalina das partículas determinam a sua magnetização de saturação; portanto, os elementos antiferromagnéticos são geralmente excluídos. Quarto, o fortalecimento das ligas é determinado pela interação entre discordâncias e partículas e pelas forças de atrito exercidas sobre discordâncias na matriz maciça de solução sólida. Assim, são visadas partículas intermetálicas intrinsecamente fortes com desajuste mínimo da rede. Estes requerem altas forças para o corte por deslocamento (fornecendo resistência), mas cortes repetidos resultantes de deslocamentos emitidos pela mesma fonte os cisalham com facilidade gradual ao longo das seções transversais restantes e reduzindo gradualmente as partículas (fornecendo ductilidade).