Ученые Уральского федерального университета (УрФУ, Екатеринбург) и Института физики металлов (ИФМ) Уральского отделения РАН описали развитие высококоэрцитивного состояния в высокоэнергоемких и высокотемпературных магнитах на основе сплавов типа «самарий-кобальт-железо-медь-цирконий».
Исследователи сформулировали практические указания по осуществлению эффективного процесса термической обработки магнитов и сделали шаг к получению новых высокопродуктивных магнитных материалов. Статья о содержании работ и их результатах опубликована в Journal of Alloys and Compounds.
Выбор материала для исследований продиктован тем, что магниты на основе сплавов этого типа отличаются высокой температурой Кюри, около 850°С, при этом значения коэрцитивной силы при повышенных температурах остаются стабильными.
«Коэрцитивная сила и остаточная намагниченность (намагниченность в нулевом поле) — основные характеристики постоянного магнита. Остаточная индукция создает необходимую напряженность магнитного поля вокруг магнита, а коэрцитивная сила препятствует размагничиванию магнита во внешних полях. Так, для стандартных коммерческих спеченных магнитов значения коэрцитивной силы достигают порядка 40 килоэрстед, такие магниты могут эксплуатироваться при температурах в интервале от 50 до 300°С. Для сравнения: например, постоянные магниты на основе соединения „неодим-железо-бор“ без добавки диспрозия обладают коэрцитивной силой менее 15 килоэрстед, а низкая температура Кюри, 300°С, ограничивает область их применения температурой ниже 120°С», — объясняет один из авторов статьи, руководитель отдела магнетизма и наноспинтроники Научно-исследовательского комплекса совместных лабораторий УрФУ и ИФМ УрО РАН Оксана Головня.
Коэрцитивная сила высокоэнергоемких постоянных магнитов (ВЭПМ) на основе сплавов типа «самарий-кобальт-железо-медь-цирконий», как правило, уменьшается с повышением температуры. Особенность магнитов другой группы, высокотемпературных постоянных магнитов (ВТПМ), заключается в том, что в некоторых температурных диапазонах может наблюдаться аномальное явление, когда коэрцитивная сила с увеличением температуры повышается. Один из первооткрывателей этого явления и руководитель международного проекта, посвященного его исследованию, — ведущий научный сотрудник ИФМ и отдела магнетизма и магнитных наноматериалов УрФУ Александр Попов.
Группы магнитов различаются составами: в ВЭПМ низкое содержание самария и высокое содержание железа, в ВТПМ — наоборот. Это и определяет различие в значениях коэрцитивной силы магнитов. Соответственно, ВЭПМ обычно используются при температурах до 250°С, ВТПМ — вплоть до 550°С.
В ходе исследований ученые УрФУ и ИФМ сравнивали особенности формирования высококоэрцитивного состояния как в высокоэнергоемких, насыщенных железом, так и в высокотемпературных, богатых самарием, постоянных магнитах, подвергая их сложной и длительной термообработке.
Сразу после спекания данные магниты гомогенизируют при температуре 1150–1200°C, затем в течение 10–25 часов их отжигают при температуре 800–850°C, так формируется ячеистая наноструктура. Наноструктура состоит из ячеек Sm2(Co, Fe)17 размером около 100 нанометров, по границам которых располагаются тонкие слои (по 5–10 нанометров) фазы Sm(Co, Cu)5. Однако после возникновения необходимой наноструктуры коэрцитивная сила остается слишком низкой. Обычно, чтобы получить высокие значения коэрцитивной силы, магниты медленно, в течение нескольких суток, охлаждают от 800 до 400°C.
В настоящем исследовании магниты отжигали при ступенчатом понижении температуры с изотермической выдержкой на каждой ступени: 700, 600, 550, 500 и 400°С. При ступенчатом отжиге каждый изотермической отжиг проводится до тех пор, пока не прекратится рост коэрцитивной силы. Поскольку выдержки на разных температурах по-разному влияют на коэрцитивную силу, ступенчатое охлаждение позволяет отследить, в течение какого периода времени необходимо отжигать при каждой температуре. При этом удается получить магниты с более высокими свойствами по истечении меньшего промежутка времени.
Почему был выбран именно такой температурный режим? Известно, что при медленном охлаждении в этом интервале температур происходит перераспределение элементов между фазами ячеистой наноструктуры. Так, на сегодня принято, что в центре прослоек фазы Sm(Co, Cu)5 содержание самария и меди достигает максимума, а кобальта и железа — минимума. Однако причина такого перераспределения остается неясной, а все попытки теоретической интерпретации природы коэрцитивной силы в магнитах с учетом распределения элементов — весьма дискуссионны.
«В статье мы выдвигаем предположение, что движущей силой перераспределения элементов между фазами ячеистой структуры являются напряжения. Напряжения возникают из-за отличий в параметрах кристаллических решеток когерентно сопряженных фаз Sm(Co, Cu)5 и Sm2(Co, Fe)17. В области сопряжения параметры искажаются, то есть возникает деформация решеток по типу сжатия или растяжения и соответствующие ей напряжения. Мы показываем, как протекает изменение коэрцитивной силы в ВТПМ и ВЭПМ при отжиге в интервале температур от 830 до 400°C», — комментирует Оксана Александровна.
По результатам экспериментов с использованием рентгеновской дифрактометрии и трехмерной атомной томографии ученые УрФУ и ИФМ УрО РАН показали, что рост коэрцитивной силы происходит в двух группах магнитов по-разному.
«В высокоэнергоемких постоянных магнитах основное увеличение коэрцитивной силы и релаксация (уменьшение) напряжений происходят при высоких температурах, порядка 700°C, этот процесс сопровождается интенсивным обогащением медью. В высокотемпературных постоянных магнитах коэрцитивная сила монотонно увеличивается во всем температурном диапазоне медленного охлаждения с 700 до 400°C. При этом в фазе типа Sm(Co, Cu)5 при температурах, близких к температуре Кюри (около 550°C), наблюдается аномалия роста коэрцитивной силы: возрастают межфазные напряжения, одновременно ускоряется перераспределение элементов, которое отличатся от общепринятого и характеризуется формированием дополнительных прослоек фазы Sm(Co, Cu)5 с увеличенным содержанием меди», — описывает Оксана Головня.
Работа ученых УрФУ и Института физики металлов УрО РАН имеет очевидное прикладное значение: полученные результаты легли в основу практических рекомендаций — как охлаждать высокоэнергоемкие и высокотемпературные магниты максимально эффективно с точки зрения затрат времени и электроэнергии. Кроме того, исследована широкая линейка составов, реально востребованных на рынке и имеющих близкую перспективу производственного применения.
«Наноструктура изученных магнитов уникальна, прослойки имеют фундаментальное значение, так как лежат в основе формирования высококоэрцитивного состояния. Точное понимание причин возникновения высоких коэрцитивных свойств даст толчок к получению новых магнитных материалов, которых мы не видели с „революционного“ открытия соединения „неодим-железо-бор“ в 80-х годах прошлого века», — поясняет Оксана Головня.
- Отметим, трехмерная атомная томография магнитов — один из самых современных методов исследования нанообъектов. Проведена в Индийском институте технологии Мадрас (старейший вуз, входит в число ведущих университетов Индии) в рамках международного проекта БРИКС, реализуемого совместно Россией, Индией и Китаем. Статья группы ученых УрФУ и ИФМ УрО РАН написана по материалам устного доклада, представленного Оксаной Головней в Индии на международной конференции Ismanam-2019 — 26-м международном симпозиуме по метастабильным, аморфным и наноструктурированным материалам.
УрФУ — один из ведущих университетов России, участник проекта 5-100, расположен в Екатеринбурге — столице Всемирных университетских игр 2023 года. Вуз выступает инициатором создания и выполняет функции проектного офиса Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня (НОЦ), который призван решить задачи национального проекта «Наука».