Ученые УрФУ описали процессы перемагничивания нанокристаллических сплавов, которые используются в качестве исходных материалов при 3D-печати магнитных систем. Разработка повысит эффективность создания высокотехнологичных устройств для робототехники, электрического транспорта и электроники. Описание работы и результаты опубликованы в Journal of Magnetism and Magnetic Materials. Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 21-72-10104).
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, мобильных телефонов, высококачественных динамиков, бытовой техники и жестких дисков компьютеров.
Использование постоянных магнитов позволяет уменьшить габариты некоторых 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. При этом одна из важнейших задача при создании постоянных магнитов - повышение их коэрцитивной силы (значения напряженности внешнего магнитного поля, необходимого для полного размагничивания ферро- или ферримагнитного вещества).
В 2020 году группа физиков Уральского федерального университета (УрФУ) и Института физики металлов (ИФМ) совместно с зарубежными коллегами впервые в мире синтезировала с помощью 3D-печати постоянные магниты с высокой коэрцитивной силой без применения тяжелых редкоземельных металлов.
Исследование открыло дорогу к получению с помощью аддитивных технологий эффективных постоянных магнитов любой заданной геометрической формы. Основой для изготовления магнитов послужили порошки из нанокристаллического сплава неодима, железа и бора.
Преимущество сплава неодима, железа и бора состоит 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.
Ученые УрФУ поставили перед собой задачу определить влияние различных микроструктурных особенностей магнита на его свойства, что позволило бы целенаправленно синтезировать магниты с улучшенными свойствами. Они уточнили представления о процессах перемагничивания нанокристаллических сплавов. Кроме того, они объяснили, по какой причине так называемые обменно-связанные сплавы по своим свойствам не смогут превзойти имеющиеся сейчас постоянные магниты, сообщил доцент кафедры магнетизма и магнитных наноматериалов УрФУ Алексей Волегов.
«Мы предложили модель изменения параметров материала вблизи контакта зерен, которая прекрасно описывает экспериментально наблюдаемые свойства. Исследования по схожей тематике время от времени появляются, однако нам первым удалось описать экспериментально наблюдаемые свойства при использовании физически обоснованных подходов», – рассказал Алексей Волегов.
По словам физика, полученные результаты лягут в основу создания магнитных систем, которые позволят делать высокотехнологичные устройства более миниатюрными, более легкими и, возможно, более дешевыми. Также нанокристаллические материалы смогут служить исходным сырьем для 3D-печати постоянных магнитов.
В будущем ученые планируют исследовать процессы перемагничивания образцов после 3D-печати из этих порошков и найти способы получения магнитных свойств на уровне выпускаемых постоянных магнитов.
УрФУ — один из ведущих вузов России, расположен в Екатеринбурге. Участник проекта по созданию кампусов мирового уровня — части национального проекта «Наука и университеты», реализуемого Минобрнауки России. Университет — участник государственной программы поддержки российских вузов «Приоритет-2030», выступает инициатором создания и выполняет функции проектного офиса Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня «Передовые производственные технологии и материалы».
УрФУ оперативный — в телеграм.
