納米晶合金
關注創建者：隔靴搔癢 創建時間：2018-10-25
納米晶合金的實例教程
納米晶軟磁合金具有獨特的α-Fe（Si）和非晶基體的雙納米相鑲嵌結構，兼具高飽和磁化強度、優異的軟磁性能和低磁致伸縮系數，其應用是解決硅鋼電器的高損耗，非晶器件的高噪聲和大體積等問題的最佳方案，因而具有廣闊的應用空間。然而，為了構建均勻細密的納米晶結構，通常都需要添加大量的促進形核和抑制晶粒長大元素，這些非磁性元素的添加大大降低了磁化強度，提高了生產工藝要求，增加了原材料的成本。
近日，香港城市大學劉錦川院士、王安定研究員和新疆大學李強教授等人提出了一種新的納米晶合金設計和結構調控概念，即設計不含促進形核和抑制擴散元素的新型合金，通過在臨界冷卻速率下快淬預制高密度的形核點，并通過類金屬瞬態富集界面以細化晶粒，獲得了均勻細密的納米晶結構。作者通過巧妙設計，僅以4.6wt.%的常見類金屬元素（B、Si、P和C）組合添加，即達到了穩定快淬非晶相和納米晶間基體相的作用，調和了飽和磁感應強度與形成能力間矛盾的同時，大幅提高了合金的高磁感納米晶合金工業化的可行性，還降低了合金的成本。
這種獨特的設計相當于將同等鐵含量的硅鋼納米晶化，去除晶界對軟磁性能的惡劣影響，并保留了α-Fe相的超高飽和磁感應強度。新概念設計的Fe85.5B10Si2P2C0.5合金的Bs 達1.87T，接近硅鋼，其均勻、細密的非晶-納米晶雙相結構使其具有優異的軟磁性能。這種異質結構和輕合金化策略為下一代磁性材料的開發提供了思路和借鑒。相關研究成果以題為Design of Fe-based nanocrystalline alloys with superior magnetization and Manufacturability發表在材料學頂級期刊Materials Today上，IF=26.416。
圖1 合金設計思路。
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納米晶Fe-Au合金的反直覺行為回避了晶粒生長的常規范式：通過將再結晶類似的事件（相轉變）和穩定納米晶合金設計標準相結合，可在高溫下得到一個更低且穩定的晶粒大小。相轉變使體系煥然一新，得到新的平衡晶粒尺寸，比前述的確定溶質的低溫相尺寸更小。作者證明這一行為可以循環多次，因此該方法通過晶界偏析提供了一個納米晶熱力學穩定性的臨界測試。同時，還使得不同溶質的合金設計中部分或全部相穩定，從而可在較寬的溫度范圍內保持納米晶相。這種合金可在較高溫度下表現出優異的力學性能，可能優于低溫下的性質。基于所觀察的Fe-Au晶粒長大，可推知合金通過轉變在高溫下顯著強化，通過在轉變溫度周圍的循環處理，力學性能可以得到重復性切換。這是一項可應用于高溫而不需要耐火材料的新方案。
文獻鏈接：Higher Temperatures Yield Smaller Grains in a Thermally Stable hase-Transforming Nanocrystalline Alloy（Phy. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.121.145503）
來源：材料人
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本文系統地研究了經過熱軋（HR），冷軋（CR），在673K下時效5分鐘（CR673）后冷軋，在873K下時效5分鐘（CR873）后冷軋的各種熱機械處理的Ti-44Ni-5Cu-1Al（at％）合金的轉變特性，微觀組織，力學行為和原位結構演變。發現：
（1）HR和CR873試樣具有微尺度晶粒，在加載過程中顯示出應力誘導的典型一級B2-B19-B19'MT，但在卸載過程中它們是不可逆的；
（2）由于冷軋引入的致密缺陷和非晶相，在CR試樣中部分地抑制了熱應力誘導的MTs。CR試樣顯示出非線性超彈性；
（3）具有納米級晶粒（~40nm）的CR673樣品顯示出彌散的B2-B19-B19'MT。在750MPa的拉伸應力下獲得了具有相對低的σc（~260MPa）和應力滯后（~150MPa）的大可逆應變~6.8％；
（4）CR673試樣在~500 MPa的拉伸應力下具有90 MPa小應力滯后的4.9％的穩定超彈性應變，和穩定的彈性熱效應（ΔT~17.4K）。超過5000個機械循環后，超彈性和彈性熱效應的惡化可忽略不計。在Ti-44Ni-5Cu-1Al CR673樣品中獲得了高能效值（η~11）。
文獻鏈接：Stable and large superelasticity and elastocaloric effect in nanocrystalline Ti-44Ni-5Cu-1Al (at%) alloy（Acta Mater.,2018, DOI:10.1016/j.actamat.2018.08.003）
來源：材料人
展開 </p><p><strong style="background-color: rgb(253, 198, 32);">1、材料與工藝創新</strong></p><p>1）新型磁性材料</p><p>納米晶合金：用于特斯拉Model 3 等車型，鐵損降低 42%~60% ，適用于高頻高轉速電機。</p><p>無稀土永磁：如日立開發的含鈰磁體，耐高溫、成本低，廣汽已應用于 混動系統。</p><p>超導材料：日本已開發出 300kW超導電機，扭矩密度達傳統電機的 6 倍， 未來或用于電動航空。</p><p>2）先進制造工藝</p><p>3D打印：博世聯合MIT開發 3D打印定子，材料利用率提升至 92%。</p><p>扁線油冷技術：華為DriveONE采用超薄扁線，功率密度達 4.5kW/kg，溫 升顯著降低。</p><p><strong style="background-color: rgb(253, 198, 32);">2、電機結構革新</strong></p><p>1）軸向磁通電機</p><p>磁通方向平行于轉軸，功率密度高達 5.8kW/kg ，體積縮小 30% 。法拉利 SF90 已搭載YASA軸向磁通電機，奔馳、雷諾等也計劃量產。</p><p>2）輪轂電機</p><p>集成于車輪內，支持四輪獨立驅動。Arrival商用車采用ProteanDrive電機， 結構緊湊，適用于城市物流車。</p><p>3）開關磁阻電機</p><p>無稀土設計，結構簡單、耐高溫。Enedym和Turntide已將其應用于商用 車，成本低于永磁電機 15%。
展開 綜上所述，本文用幾種不同的實驗技術研究了納米硅OM晶腔的結構和熱學性質。達克費爾德透射電鏡分析表明，不同的退火溫度會導致不同的晶粒尺寸分布，從而影響材料的熱性能。本文使用微時域熱反射率來測量納米晶薄膜的散熱速率，觀察到與單晶薄膜相比有很大的降低。這歸因于晶界上的聲子散射。通過使用泵浦探測技術來測量局域光學共振的冷卻速率，我們能夠在不改變結構的情況下提取納米棒中的熱衰減率。所得結果與熱反射技術的結果一致，表明這種新的非接觸式方法對所有具有光學腔體的納米結構都具有很強的應用潛力。（文：SSC）
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納米晶合金的最新內容
</p><p><strong style="background-color: rgb(253, 198, 32);">1、材料與工藝創新</strong></p><p>1）新型磁性材料</p><p>納米晶合金：用于特斯拉Model 3 等車型，鐵損降低 42%~60% ，適用于高頻高轉速電機。</p><p>無稀土永磁：如日立開發的含鈰磁體，耐高溫、成本低，廣汽已應用于 混動系統。
2023年6月4日，南極熊獲悉，來自麻省理工學院的工程師團隊報告了一種簡單、廉價的方法來制備陶瓷納米纖維強化 Inconel 718材料，以用于金屬 PBF 增材制造工藝。研究團隊認為，他們的這種采用陶瓷納米線強化3D打印金屬粉末的方法同樣可用于改進許多其他材料。航空航天和能源生產領域許多重要應用的關鍵材料必須能夠承受高溫和拉伸應力等極端條件而不會失效，所以，MIT開發的這種新型強化高溫合金在航空航天等高要求領域有著廣闊的應用前景
來源 | Materials Today
01
背景介紹
熱電( TE )技術作為一種綠色的工程解決方案，在小規模制冷和余熱回收方面越來越受到關注。在實際應用中，固態冷卻是其主導應用，由于具有高可靠性和緊湊性、無噪音運行、精確控溫等優點，已經具有成熟的商用市場。除了邊界或界面，孔隙率是另一種有效的策略，有望干擾聲子輸運以提高
一、研究的背景與問題
進入21世紀，鋼材材料仍是占主導地位的先進結構材料。經濟建設和社會發展要求大幅度提高鋼的強韌性，發展適應不同要求的品種，改善鋼材質量，降低生產成本，按照可持續發展的要求，開發與人類友好的基礎材料，已成為從事鋼鐵材料研究和生產單位的歷史任務。合金化是常用的一種提高材料性能的有效手段，為了滿足人類社會發展對于材料性能不斷提出的新要求
高熵合金 (HEAs) 和中熵合金 (MEAs) 是由等摩爾或接近等摩爾比的幾種元素組成的合金。 HEAs/MEAs 的特殊組成特性導致其具有高強度和硬度、良好的熱穩定性、高耐蝕性、高溫抗氧化性和優異的磁性能等。電弧熔煉是最常用的 HEAs/MEAs 制備方法，可以在一定程度上凈化鑄錠，改善結晶。然而電弧熔煉中較低的冷卻速率容易導致粗大晶粒的形成，這對合金的性能有不利影響。 與電弧熔煉法相比，激光
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孿晶界 (TB) 對各種合金的成型性和機械性能至關重要。本文以Ti {10-12 }和{10-11 }TB為第一原理計算模型，確定了14種金屬溶質對HCP Ti合金中孿晶界能量和強度的影響。根據孿晶界形成能確定了溶質對TB穩定性的影響，偏析能和相關的偏析濃度和溶解能也被討論以確定溶質的存在狀態，了解到原子體積（特別是Voronoi體積）和這些能量之間的線性關系。最后，在考慮和不考慮泊松效應的情況下
x = 2和3合金含有微量納米晶，這使得合金具有寬化的居里溫度分布。
鎂合金作為最輕的金屬結構材料，在航空航天、武器裝備、汽車、3C電子等領域具有巨大的應用潛力。然而，高強度和高塑性難以協調一直是限制鎂合金廣泛應用的主要阻礙。目前，開發的典型高強/超高強鎂合金是高稀土含量的時效型變形鎂合金，合金的強化主要源于納米沉淀、細晶結構以及強織構。這類合金的高強度通常伴隨著低塑性，此外高稀土含量也意味著高成本和高密度。因此，在低合金化條件下制備高強塑性鎂合金逐漸成為研究的熱點
在國家自然科學基金項目（批準號：52071340、51820105001、51531009、51711530713）等資助下，中南大學粉末冶金國家重點實驗室杜勇教授團隊楊明軍博士生、李凱副教授等在鋁合金針狀納米析出相的力學行為及其機制研究方面取得進展。相關研究成果以
