一种无Ta且磁性软但机械强韧、具延展性的含Al和Ti的CoFeNi高熵合金

为什么更好的电机金属很重要

从电动汽车到小型飞机发动机，现代生活越来越依赖高速电机。在每台电机内部都有必须高效引导磁场并承受巨大旋转力和高温的金属部件。传统的软磁合金在磁性能方面表现良好，但相对较脆弱且容易以热量形式损失能量。本文探讨了一类新的“高熵”金属，承诺实现一种罕见的组合：既强且有韧性、高电阻以减少能量损失，同时仍然具有足够的磁性软性，适用于下一代电机。

由多种成分构建的新金属

研究者以基于钴、铁和镍的已知磁性配方为起点。在该基础上加入少量铝和钛，形成所谓的高熵合金——几种金属元素以近似等量混合。与传统钢或特种磁性合金不同，这些混合物形成简单的晶体基体，同时在其中出现微小、有序的原子簇。通过精心选择铝和钛的含量，团队设计了两种成分，使其在避免使用昂贵元素（如钽）的同时，能形成这种纳米尺度的簇。

调控金属内部的微小构件

借助热力学计算建模和一系列时效处理，作者们引导这些合金在加热与冷却过程中的内部结构演化。在高温下材料为单一均匀相；在冷却时，直径仅数十亿分之一米的极小有序颗粒出现在基体中。在一种合金中，这些颗粒保持超细且数量众多；在另一种合金中，通过额外的轧制和退火步骤可以使其长大或重塑。先进显微镜与逐原子映射证实，这些颗粒富含镍与钛，并与周围金属保持相干共格，像均匀分散的纳米增强体一样存在。

在不损失磁性软性的前提下增强强度

力学测试显示，两种合金均比原始的钴‑铁‑镍基体强得多，同时断前仍能显著延展。根据加工工艺，它们的屈服强度约在780到1200兆帕之间——大约是许多商业软磁合金的两到三倍——但保留了18%到35%之间的伸长率。与此同时，磁学测量表明矫顽力低，意味着材料的磁化方向在电机运转时易于翻转；饱和磁化强度也相对较高，决定了电机可提供的扭矩大小。通过保持强化颗粒极小，作者们将它们钉扎磁畴壁的倾向降到最低，因此材料在变得机械上强韧的同时仍保持磁性软性。

以电阻击退能量损失

这些高熵合金的一个关键优势是其非常高的电阻率，为常规电机合金的数倍。当电机零部件遇到快速变化的磁场时，会产生涡流并以热量浪费能量。复杂元素混合和纳米颗粒的存在导致电子散射强烈，从而大幅抑制这些涡流。其中一种新合金在其简单的时效状态下同时表现出低矫顽力、高磁化强度、优异的强度和出色的电阻率，使其在比较众多商业和实验性软磁材料的性能图中占据有利位置。

迈向更好、更便宜、更轻的机器

通俗地说，这项工作展示了如何通过微调合金成分表和热处理工艺来控制看不见的原子簇的尺寸与间距，从而实现一种原本难以同时具备的性能组合。特别是富钛合金提供了强韧、有延展性且磁性软，同时对电能损失具有极高抵抗力的性能，并且不依赖稀缺的钽。这些无Ta高熵合金有望使电动机和储能转子更轻、更高效且更耐用，帮助未来的车辆与电力系统减少能量浪费并提高可靠性。

引用: Sarkar, S.K., Keskar, N., Tan, L.P. et al. A magnetically soft yet mechanically strong and ductile Ta free CoFeNi high entropy alloy with Al and Ti additions. Nat Commun 17, 2890 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68891-6

关键词: 软磁合金, 高熵合金, 电动机, 纳米析出相, 电阻率