Magnetische materialen zijn overal - in motoren, windturbines, elektronische apparaten en koelkasten, dus materialen met betere magnetische eigenschappen zijn zeer wenselijk. TU Delft-onderzoekers Biswanath Dutta en Fritz Körmann van de afdeling Materials Science and Engineering hebben een mechanisme onthuld voor het verbeteren van de magnetische eigenschappen van een relatief nieuwe klasse van multicomponent-legeringen, HEA's genaamd. Hun werk verschijnt deze week in Geavanceerde functionele materialen .

Legeringen met hoge entropie (HEA's) werden ongeveer 15 jaar geleden voor het eerst voorgesteld en sindsdien hebben veel interesse gewekt binnen de materiaalwetenschappelijke gemeenschap vanwege hun uitstekende fysieke, mechanische en functionele eigenschappen b.v. grotere kracht, veelbelovende magnetische eigenschappen, en betere weerstand tegen roesten en corrosie. "De focus van dit project was om nieuwe mechanismen te vinden waarmee we de magnetische eigenschappen van een HEA konden verbeteren, " zegt Dutta. "En om dit te doen, je moet met de chemie spelen, dus verander de samenstelling van de legering."

In tegenstelling tot traditionele legeringen, die gewoonlijk bestaan ​​uit een hoofdbestanddeel met een kleine hoeveelheid van een ander toegevoegd element, b.v. staal, dat is een legering van ijzer gemengd met 1% koolstof, HEA's bestaan ​​uit vijf of meer elementen in min of meer gelijke verhoudingen. In dit onderzoek, het team speelde wat met de samenstelling van een FeCoNiMnCu HEA, die ijzer bevat, kobalt, nikkel, mangaan en koper. "Onze collega's van het Max-Planck-Institut für Eisenforschung in Duitsland hebben dit materiaal gedurende verschillende tijdsperioden op een bepaalde vaste temperatuur verwarmd, ", zegt Dutta. "En ze merkten twee dingen op:een daarvan was dat het 240 uur verwarmen van de HEA zijn magnetische eigenschappen verbeterde. En twee, dat binnen het materiaal, de verschillende elementen werden gescheiden in verschillende regio's binnen de legering."

Met behulp van deze informatie, Dutta voerde theoretische simulaties uit en kon uiteindelijk uitleggen waarom, na langdurige verhitting, je krijgt verbeterde magnetische eigenschappen:"Koper houdt er niet van om een ​​vast homogeen mengsel te maken met de andere elementen en dus hoe meer je het monster verwarmt, hoe meer het koper zich probeert te scheiden van de andere vier elementen, leidt tot verschillende regio's met verschillende samenstellingen, bijvoorbeeld een ijzer-kobaltrijk gebied en een koperrijk gebied." Deze verschillende gebieden hebben ongelijke volumes en veroorzaken wat bekend staat als coherentiestress tussen een groter volume en een kleiner volume. "En als een van deze gebieden bijzonder belangrijk is voor de magnetische eigenschappen, een volume-uitbreiding kan die magnetische eigenschappen verbeteren."

Er zijn dus in feite twee mechanismen aan het werk:de ene is de vorming van twee regio's met verschillende chemische samenstellingen - een fenomeen dat technisch bekend staat als spinodale decompositie - en de andere factor is het resulterende verschil in volume en dus coherentiestress tussen de verschillende regio's.

Met een beter begrip van deze mechanismen, onderzoekers kunnen beginnen met het onderzoeken van andere magnetische HEA's en legeringen met meerdere componenten om te bepalen of hetzelfde gedrag optreedt, waardoor hun magnetische eigenschappen verbeteren. "Dit concept om magnetische eigenschappen te verbeteren door spinodale ontbinding is erg nieuw, " zegt Dutta, "En deze nieuwe mechanismen zullen ons helpen om nieuw magnetisch materiaal te vinden voor mogelijk gebruik in, bijvoorbeeld, koelsystemen die minder op gassen zijn gebaseerd en meer op magnetische materialen in vaste toestand, wat veel milieuvriendelijker zal zijn."