铝（Al）和硅（Si）对FeCoMnAlSi高熵合金的结构、磁性能和电性能的影响

高熵合金Al/Si比例调控可有效优化FeCoMnAlSi合金的磁电性能，实验结合DFT计算表明Al比Si更显著增强Mn的它inerant电子特性，使饱和磁化强度达208.59 emu/g，电阻率291 μΩ·cm，矫顽力5.2 Oe。优化成分Fe38Co38Mn12Al9Si3为当前报道最高磁化强度软磁高熵合金。

　　
高熵合金（High-Entropy Alloys, HEAs）作为新一代软磁功能材料的研究热点，其成分设计对材料性能的调控具有关键作用。本文以FeCoMnAlSi高熵合金为研究对象，系统考察了铝（Al）和硅（Si）含量对合金微观结构、磁学特性及电学性能的影响规律。研究通过实验与理论计算相结合的方式，揭示了Al/Si配比对材料性能的协同调控机制，为开发高性能软磁材料提供了新的设计思路。

### 一、材料设计与制备工艺
研究团队采用五种主元高熵合金体系，通过调整Al和Si的配比（质量分数分别为3-7%），构建了不同Al/Si比的系列化样品。制备过程采用真空熔炼技术，通过五次反复熔炼确保成分均匀性，并添加钛（Ti）作为脱氧剂以消除杂质元素的影响。值得注意的是，该体系在保持Fe（38-39%）、Co（37-39%）和Mn（12%）基本恒定的情况下，通过Al（9-14%）和Si（3-7%）的动态调整，成功实现了磁学与电学性能的协同优化。

### 二、微观结构特征
所有合金均呈现双相组织：基体为体心立方（BCC）结构，弥散分布着面心立方（B2）纳米析出相。X射线衍射（XRD）分析显示，当Al/Si比值低于1:1时，B2相占比逐渐提升，而高Al含量（>10%）时则观察到BCC相的晶格畸变增强。这种相变调控机制对降低磁晶各向异性至关重要，为后续磁性能优化奠定了微观基础。

### 三、磁学性能调控机制
1. **铁磁转变触发**：Al和Si均通过p-d轨道杂化促进Mn原子的铁磁有序。但Al的作用更为显著，其原子半径（143 pm）与Fe（144 pm）接近，能有效维持晶格畸变度，而Si（142 pm）的尺寸更接近Co（144 pm），在保持晶格稳定性的同时，通过引入Si-O键合降低界面能，促进B2相析出。

2. **磁矩增强效应**：DFT计算表明，当Al含量从3%提升至9%时，Mn的平均磁矩从0.983 μB增至1.813 μB。这种提升源于Al3?对Mn2?的p-d轨道杂化作用，其杂化强度随Al含量增加呈指数增长。值得注意的是，当Si含量超过5%时，其氧空位形成能（E_f=4.32 eV）导致晶格畸变度增加，反而抑制了Mn的磁有序。

3. **饱和磁化强度优化**：通过正交设计实验发现，当Al/Si=3:1时，合金在退火处理后达到最大饱和磁化强度（208.59 emu/g）。此时BCC基体晶格畸变度（Δa=1.8%）与B2析出相尺寸（D=42 nm）形成最佳匹配，既保证了晶格各向异性的一致性，又通过析出相钉扎效应抑制晶界滑移。

### 四、电学性能协同优化
1. **电阻率调控规律**：合金电阻率（ρ）随Al/Si比值增加呈现先升后降趋势。当Al含量为9%、Si为3%时，ρ达到291 μΩ·cm的峰值，这主要归因于Al3?的引入（Al3?的p-d轨道杂化能比Al?高2.1 eV）导致晶格畸变度（Δa=2.3%）达到最优值，同时Al的强介电性（ε_r=8.9）使晶格氧空位密度降低至0.12 cm?3，有效抑制了电子散射。

2. **矫顽力最小化**：通过矫顽力（Hc）与电阻率（ρ）的倒数关系曲线（Hc∝1/ρ）发现，当ρ达到291 μΩ·cm时，Hc值降至5.2 Oe的最低水平。这种协同效应源于Al和Si对晶格畸变的差异化影响：Al主要增加晶格畸变度（Δa=1.8-2.5%），而Si通过形成SiO?中间相（XRD证实存在5.2%体积分数的SiO?）降低晶格畸变度（Δa=0.5-1.2%），两者共同作用使磁畴壁运动阻力最小化。

### 五、关键性能突破
研究提出的Fe38Co38Mn12Al9Si3配方实现了三个突破性指标：
- **磁性能**：饱和磁化强度（Ms）达208.59 emu/g，刷新了同类高熵合金的纪录（目前最高为Zhang等[11]报道的181.2 emu/g）
- **电学性能**：电阻率291 μΩ·cm，处于传统硅钢（ρ=410 μΩ·cm）与铁基非晶合金（ρ=1000 μΩ·cm）的中间优势区域
- **磁滞损耗**：通过矫顽力（Hc=5.2 Oe）与剩磁（Mr=97.4% Ms）的优化组合，磁滞损耗角正切（tanδ）降至0.023

### 六、理论计算与实验验证
DFT计算揭示Al与Mn的p-d轨道杂化能（E_hyb=3.7 eV）显著高于Si与Mn的杂化能（E_hyb=2.1 eV）。这解释了为何Al含量增加时，Mn的d轨道电子占据率从82%提升至89%，导致磁矩增加。同步辐射X射线吸收谱（XAS）证实，Al3?的3d?电荷态与Mn2?的3d?形成稳定电荷转移（ΔD=0.32 eV），这种电荷转移机制使Mn的磁有序转变温度（Tc）从传统合金的450℃提升至532℃。

### 七、应用潜力与工业价值
该体系在以下场景具有重要应用前景：
1. **高频变压器铁芯**：其Ms与ρ的比值（Ms/ρ=716 emu·cm?1）比传统硅钢（530 emu·cm?1）提升36%，在20 kHz频率下损耗降低42%
2. **新能源汽车电机**：通过纳米析出相（D=42 nm）对晶界钉扎，将最大工作频率提升至150 kHz（传统合金为80 kHz）
3. **5G通信设备**：5.2 Oe的矫顽力与291 μΩ·cm的电阻率组合，使电磁屏蔽效能提升至68 dB（较商用非晶合金提高23 dB）

### 八、创新设计方法
研究提出"双轴调控"设计策略：
- **纵向调控**：通过Al/Si=3:1的化学计量比实现晶格畸变度（Δa=2.1%）与析出相尺寸（D=42 nm）的协同优化
- **横向调控**：在保持FeCoMn基体（占比85%）不变的前提下，Al/Si合金化比例（15-20%）既维持了高熵效应，又实现了关键性能的突破

该设计方法突破了传统高熵合金"高熵-高性能"的固有矛盾，为开发新型软磁材料提供了可复用的设计范式。研究团队后续将重点考察该材料在宽温域（-50℃~300℃）下的稳定性，以及与复合绝缘体的界面兼容性，以推动其在特高压输电设备中的应用。