一步法制备高强度和柔韧性的高熵合金纤维

研究背景

低矫顽力（Hc）的软磁性纤维（SMFs），如钴基和铁基非晶态及多晶态纤维，是传感器、执行器和电磁屏蔽设备等基础材料。最近，由于它们在地磁导航、人机交互和类似人类触觉感应等潜在应用中的重要性，镍铁合金和钴/铁基SMFs引起了显著关注。然而，由于拉伸性有限，SMFs及其相关设备的大规模生产和应用仍面临许多挑战。随着柔性电子和多功能组件的发展，迫切需要能够承受长期操作中的拉伸、扭转和剪切负载的微米级SMFs。这些纤维不仅需要卓越的软磁性能，还需要微型化、高拉伸强度和塑性。传统实现低Hc的方法通常涉及退火以释放内部应力并触发非晶态SMFs中的纳米晶化，这可能会导致脆性。通过沉淀增强SMFs的机械强度通常会牺牲塑性和Hc。因此，在这些看似矛盾的要求之间取得良好平衡是一项挑战。

研究成果

软磁性纤维（SMFs）在电子设备中的能量转换、传输和存储中扮演着至关重要的角色。然而，传统的SMFs塑性差，因此难以承受长期的拉伸、扭转和剪切变形。高比例的晶界可以改善传统SMFs的塑性变形能力，但会降低其矫顽力。这严重限制了它们在柔性电子设备和多功能组件中的应用。为此，中科院宁波材料所黎嘉威研究员&中国矿业大学（徐州）杨卫明教授等人提出了一种策略来克服这一难题，通过一种简单的一步旋转水纺丝方法，使含有有序相干纳米沉淀相的Fe34Co29Ni29Al3Ta3Si2高熵合金（HEA）纤维的晶粒粗化。这有助于减少畴壁钉扎并提高位错移动性。结果得到的微米直径软磁性HEA纤维在23%的伸长率下具有674 MPa的抗拉强度，低矫顽力为8.1 Oe，中等磁化强度为116 emu/g（在10 kOe下），以及高达770 K的高居里温度。相关研究以“A one-step fabrication of soft-magnetic high entropy alloy fiber with excellent strength and flexibility”为题发表在Nature Communications期刊上。

图文导读

Fig. 1 | Manufacturing, morphology, and properties of the present soft magnetic high entropy alloy (HEA) fibers.

Fig. 2 | Microstructural evolution of HEA fibers.

Fig. 3 | Three-dimensional atom probe tomography (3D-APT) maps of HEA fibers.

Fig. 4 | Magnetic domain structure and low Hc mechanism of HEA fibers.

Fig. 5 | Deformation structure of the present soft magnetic HEA fibers.

总结与展望

总之，作者通过硅微合金化和一步旋转水纺丝法，在Fe-Co-Ni-Al-Ta高熵合金(HEA)中成功制备了具有优异强度和柔韧性的微米级SMFs。在含有有序相干纳米沉淀相的Fe34Co29Ni29Al3Ta3Si2 HEA纤维中粗化晶粒，可以产生大量的位错近邻，从而导致高强度。此外，粗晶粒中比磁畴宽度小的磁畴壁钉扎是导致Hc较低的主要原因。通过退火，可以进一步调整SMFs的强度、塑性和Hc。这项工作提供了一种制备大塑性SMFs的技术，突破了SMFs塑性不足数十年的瓶颈，对于推动HEAs在柔性电子和多功能复合材料领域的应用具有重要意义。

文献链接

https://doi.org/10.1038/s41467-024-54984-7