Ученые впервые в мире синтезировали постоянные магниты без тяжелых редкоземельных металлов

 © urfu.ru

Группа физиков из Уральского федерального университета, Института физики металлов (ИФМ) Уральского отделения РАН и Института материаловедения им. Лейбница (Бремен, Германия) впервые в мире синтезировала с помощью 3D-печати постоянные магниты с высокой коэрцитивной силой без применения тяжелых редкоземельных металлов. Прорывная работа уральских и немецких ученых открывает дорогу к получению с помощью аддитивных технологий эффективных постоянных магнитов любой заданной геометрической формы. Статью об экспериментах и их результатах исследователи опубликовали в престижном журнале Acta Materialia.

«Мы добились почти двукратного увеличения коэрцитивной силы магнитов. На сегодня это лучший в мире результат для аддитивных технологий производства постоянных магнитов. Абсолютное значение коэрцитивности наших магнитов более чем на треть выше, по сравнению с мировыми аналогами. При этом принципиально важно, что инфильтрация сплава в межзеренные границы происходит одновременно с 3D-печатью магнитов. Одностадийный синтез магнитов с применением аддитивных технологий произведен впервые», — подчеркивает доцент кафедры магнетизма и магнитных наноматериалов, старший научный сотрудник отдела магнетизма твердых тел УрФУ и лаборатории магнетизма и магнитных наноструктур ИФМ УрО РАН Алексей Волегов.

Сейчас исследования ученых носят лабораторный, экспериментальный характер. Работы, в том числе по повышению коэрцитивной силы микрокристаллических магнитов, продолжаются. Цель — экономичное серийное 3D-производство постоянных магнитов с высокой коэрцитивной силой и многообразной конфигурацией без использования тяжелых редкоземельных элементов.

Основой для изготовления магнитов (в данном случае способом лазерного спекания) послужили порошки из нанокристаллического сплава неодима, железа и бора. Его достоинства в том, что магниты из этого сплава способны при комнатной температуре запасти больше «магнитной» энергии, чем любой другой тип магнитов, а также не содержат дорогостоящий кобальт, который применяется в литий-ионных аккумуляторах. Кроме того, необходимое соединение, имеющее высокие магнитные характеристики, может быть получено сравнительно легко, а материал на его основе обладает достаточно высокой коэрцитивной силой, то есть способен сохранять намагниченное состояние, когда его пытаются перемагнитить.

Вместе с тем точка Кюри у основной магнитотвердой фазы сравнительно невысока: при температуре выше 310 °C материал переходит из ферромагнитного состояния в парамагнитное. Другими словами, теряет самопроизвольную намагниченность, превращаясь в магнитном отношении в «деревяшку». Поэтому температура выше комнатной приводит к тому, что магнитные свойства вещества быстро деградируют. Это снижает КПД и крутящий момент двигателей, в которых используются такие магниты.

Обычно эту проблему решают замещением неодима тяжелыми редкоземельными металлами — диспрозием и тербием, а железа — кобальтом. Но оба подхода приводят к снижению намагниченности материала магнита и к удорожанию производства, что затрудняет их применение. Поэтому физики УрФУ, с одной стороны, использовали высококоэрцитивный материал на основе соединения неодима, а с другой — поставили задачу увеличить его коэрцитивную силу, не прибегая к тяжелым редкоземельным металлам. Решением стало уменьшение межзеренного обменного взаимодействия.

«Мы использовали порошкообразный сплав на основе неодима двух типов: нанокристаллический с размером зерен 25 нанометров и микрокристаллический с размером зерен 450 нанометров. Фактически, отжигая нанокристаллический сплав при температуре 1 000°С в течение получаса, мы вырастили кристаллиты со средним размером 450 нм. Обменное взаимодействие этих зерен и состояние границы между ними и определяют гистерезисные магнитные свойства сплавов. С одной стороны, межзеренное взаимодействие позволяет в некоторых случаях увеличить остаточную намагниченность и уменьшить содержание редкоземельных металлов, с другой — снижает коэрцитивную силу. Мы добивались ослабления межзеренного взаимодействия за счет изменения границы между зернами», — рассказывает Алексей Волегов.

Для этого исследователи ввели в нанокристаллический и микрокристаллический неодимовые сплавы размельченный и доведенный нагреванием лазером до жидкого состояния эвтектический сплав на основе редкоземельных металлов, неодима и кобальта. Известно, что эти сплавы легко диффундируют вдоль границы зерен. Такая операция приводит к более низким значениям намагниченности, поэтому содержание введенного сплава в смеси было минимизировано до 20%.

Эвтектический сплав, во-первых, связал магнитные частицы, чтобы из отдельных частиц неодимового сплава получился цельный постоянный магнит. Во-вторых, заполнив и расширив границу между зернами, снизил межзеренное взаимодействие. При этом было установлено, что полученная коэрцитивность нанокристаллических магнитов в 1,7 раза больше, чем у микрокристаллических магнитов.

Добавим, исследования ученых УрФУ и их коллег из Института материаловедения им. Лейбница поддержаны грантами Министерства науки и высшего образования РФ и German Science Foundation.

Справка

Постоянные магниты — изделия из магнитотвердых материалов, способные сохранять состояние намагниченности в течение длительного времени. Они используются в качестве автономных источников магнитного поля, для преобразования механической энергии в электрическую и наоборот. Области применения постоянных магнитов — робототехника, магнитно-резонансная томография, производство ветрогенераторов, электродвигателей постоянного тока, мобильных телефонов, высококачественных динамиков, бытовой техники (кондиционеров, холодильников, морозильников, кухонных вытяжек), жестких дисков компьютеров и т. д. Использование постоянных магнитов позволяет уменьшить габариты изделий и увеличить их КПД.

Развитие энергетики и робототехники, миниатюризация высокотехнологичных устройств, электрических и гибридных транспортных средств требуют ежегодного увеличения объема производства постоянных магнитов и в то же время улучшения их магнитных свойств. Повышение коэрцитивной силы является наиболее важной задачей при модификации постоянных магнитов.

УрФУ — один из ведущих университетов России и участник проекта 5-100, отмечает в 2020 году столетие. Вуз расположен в Екатеринбурге — столице Всемирных студенческих игр 2023 года. УрФУ выступает инициатором создания и выполняет функции проектного офиса Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня (НОЦ), который призван решить задачи национального проекта «Наука».

Хочешь всегда знать и никогда не пропускать лучшие новости о развитии России? У проекта «Сделано у нас» есть Телеграм-канал @sdelanounas_ru. Подпишись, и у тебя всегда будет повод для гордости за Россию.