Ученые НИТУ МИСИС выяснили, почему казавшиеся перспективными сплавы на основе марганца, алюминия и галлия демонстрируют слабые магнитные свойства по сравнению с теоретическими моделями. Исследование показало, что причина кроется в особенностях внутреннего строения материала. Исследование опубликовано в Journal of Alloys and Compounds.
Речь идет о сплаве системы Mn-Al-Ga, который рассматривается как одна из наиболее перспективных альтернатив как слабым ферритовым магнитам, так и магнитам на основе дорогостоящих редкоземельных элементов. Постоянные магниты используются в электродвигателях, генераторах, датчиках и другой технике, где нужны «долгоиграющие» источники индукции, не требующие электропитания.
Самым известным широкой общественности материалом для изготовления редкоземельных магнитов служит неодим, но в технике и электронике применяются в основном сплавы неодима, самария и других редких земель, традиционных ферромагнетиков и вспомогательных элементов, например комплекс Nd2Fe14B + SmCo5. Себестоимость таких магнитов весьма высока, зато они обладают компактностью и недюжинной силой. Самариевые магниты мощнее аналогичных по массе ферритовых в 6 раз, а неодимовые — в 10 раз.
В поисках асимметричной альтернативы исследователи изучили быстрозакаленный сплав Mn-Al-Ga с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и методов компьютерного моделирования на атомном уровне. ПЭМ показала, что внутри материала образуется большое количество линейных дефектов кристаллической решетки. Эти дефекты формируют своеобразные границы между областями кристалла с различным порядком расположения атомов.
Неожиданный эффект антиферромагнетизма
Анализ продемонстрировал, что именно возле таких границ возникает антиферромагнитная связь между атомами марганца. В результате магнитные моменты части атомов оказываются направлены навстречу друг другу и взаимно компенсируются. Из-за этого общая намагниченность материала уменьшается. По оценкам авторов, подобные дефекты способны снижать намагниченность насыщения примерно на 10%. Исследование стало одним из первых, где ухудшение магнитных свойств напрямую связали с конкретными особенностями микроструктуры сплава.
Авторы отмечают, что понимание этого механизма позволит искать способы уменьшения количества подобных дефектов еще на стадии изготовления материала. Это может привести к созданию более эффективных и доступных магнитов без использования дефицитных редкоземельных элементов.
Мы обнаружили, что высокая плотность дефектов оказывает заметное влияние на магнитное состояние материала. Понимание этого механизма позволяет целенаправленно искать способы уменьшения количества таких дефектов или предотвращать их образование еще на этапе получения сплава.Михаил Горшенков
Сплавы Mn-Al с различными добавками считаются одним из главных кандидатов на замену редкоземельным магнитам в электродвигателях и генераторах благодаря доступности исходных элементов. Ранее исследователи показали, что в сплавах Mn-Al-Ga антифазные границы могут существенно влиять на магнитные характеристики материала, а добавки титана способны повышать коэрцитивную силу за счет уменьшения числа таких дефектов.
Разработка магнитов без редкоземов особенно актуальна для электротранспорта и возобновляемой энергетики, поскольку позволяет снизить зависимость от редкоземельных металлов и себестоимость изделий и агрегатов. Не секрет, что дороговизна и длительная окупаемость солнечных панелей обусловлена именно присутствием в их конструкциях редких земель, а также платиноидов.
Недавно мы разбирались в ситуации на глобальном рынке редкоземельных магнитов, где в беспощадной битве сошлись США и Китай. Подробности — в материале Hi-Tech Mail.