Ученые впервые в мире синтезировали постоянные магниты без тяжелых редкоземельных металлов 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°С 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 10 000°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». 

Источник