Уральские ученые создают многофункциональные магнитные материалы и системы

Как на Урале развивается школа магнетизма

Фото пресс-службы УрФУ

В УрФУ в рамках программы «Приоритет-2030» разрабатываются технологии, востребованные для развития энергетики, космоса, металлургии и медицины

На Урале исторически было развито научное направление «Магнетизм и магнитные материалы». Какое применение результаты исследований в этой области находят при создании технологий в рамках программы «Приоритет-2030»? Об этом мы поговорили с профессором кафедры магнетизма и магнитных наноматериалов Уральского федерального университета Владимиром Васьковским.

Традиции Уральской школы магнетизма

— Почему направление «Магнитные материалы и системы» было выбрано в рамках программы «Приоритет-2030», какие компетенции были наработаны университетом в этой области ранее?

— Исторически в России сформировалось три основных школы магнетизма: Москва, Красноярск и Екатеринбург. У нас есть своя богатая история. В 30-х годах при реформировании Академии наук часть направлений было решено локализовать в Свердловске (ныне Екатеринбург), а они по своей узкой специализации были близки к магнетизму. Сюда приехали ведущие ученые. Одним из основателей уральской школы стал Яков Шур. Он с единомышленниками начал активно развивать научно-техническое направление по исследованию и применению магнитных материалов. Это требовало квалифицированных кадров, и было решено организовать в Уральском государственном университете подготовку специалистов в этой области.

Кроме этого, на Урале опять же исторически был силен промышленный сектор, который в том числе специализируется в области получения и применения магнитных материалов. К числу таких предприятий сегодня относятся «ВИЗ-Сталь», Электромеханический завод, НПО автоматики, ПОЗ-Прогресс, НПП «Гаммамет» и др. Эти предприятия активно сотрудничают с вузовской и академической наукой как в создании перспективных технических разработок, так и в кадровой подготовке. В нашем регионе везде, где имеют дело с магнитными материалами и изделиями из них, работают наши выпускники. Это, в свою очередь, способствует развитию уральской школы магнетизма.

Так, с учетом всех факторов, за последние годы кафедра магнетизма существенно нарастила материальную базу, что поставило наш коллектив в первый ряд организаций, занимающихся разработкой магнитных материалов в России. И мы продолжили развивать это направление сначала в рамках программы «5-100», а затем «Приоритет-2030».

— Какие задачи промышленности решаются на современном этапе?

— В рамках проекта программы «Приоритет-2030» мы реализуем многоплановый проект «Физика магнитных материалов и систем», в его работу включены коллективы не только кафедры магнетизма и магнитных наноматериалов, но и других структурных подразделений УрФУ, в частности, кафедры физики конденсированного состояния и наноразмерных систем, кафедры теоретической и математической физики. Иными словами, проект носит комплексный характер. Причем он должен приносить не только фундаментальное знание, но и новые технологии. Именно последнее становится сегодня главным критерием успешной деятельности. Нам надо искать выход в практику, и мы это делаем.

Традиционные направления в материаловедении магнитных материалов связаны с разработкой, совершенствованием и применением магнитомягких и магнитотвердых материалов. Например, варьируя структурное состояние ферромагнитных металлов, можно создать интересную альтернативу самому распространенному виду магнитных материалов — электротехнической стали. Это аморфные или нанокристаллические магнитные материалы. Получать их непросто, но их свойства уникальны, что обеспечивает им применение в высокочастотной электротехнике. Предприятие «Гаммамет» уже выпускает такого рода продукцию.

В области магнитотвердых материалов появился запрос со стороны компаний, развивающих проекты альтернативной энергетики. Среди них госкорпорация «Росатом». Чтобы в большом количестве производить энергию с помощью ветра, нужны генераторы, а каждая ветряная установка содержит по полтонны постоянных магнитов. Чтобы двигатели были эффективны, необходимы качественные постоянные магниты. Сейчас их производство в России ограничено.

В свое время Китай наводнил мир дешевыми постоянными магнитами, что привело к сворачиванию их производства в большинстве стран, и в России в том числе. А затем Китай, как монополист, повысил цены и стал диктовать условия.

Росатом решил реанимировать такое производство в России, но на новой технологической базе. К 2030 году Россия должна выйти на производство 1 тысячи тонн магнитов, а сегодня мы выпускаем только 20–50 тонн, то есть нужно более чем на порядок увеличить производство. При этом нужно не просто реализовать те передовые технологии, которые в мире есть. Соответствующий технологический процесс достаточно сложен, там много нюансов. И чтобы получился на выходе качественный продукт, все эти тонкости нужно понимать и знать, как их реализовать в производстве. Тем более что Китай не готов продавать свою технологию. Отечественным специалистам, в том числе с нашим участием, придется реализовывать ее самостоятельно. Надеемся, здесь наши знания будут востребованы.

Импульс развитию другого направления в области магнитотвердых материалов опять же задает Росатом. Оно связано с повышением эффективности и миниатюризацией электродвигателей, востребованных, например, в малой авиации, в том числе при разработке беспилотных летательных аппаратов. Здесь тоже находят применение постоянные магниты, причем сложной формы и в составе магнитной системы, включающей магнитомягкое ярмо. В такой постановке весьма эффективными могут оказаться так называемые аддитивные технологии. Традиционные технологии ориентированы на то, чтобы отнимать материал для получения изделия, например, обтачивать детали на токарном станке. Аддитивные технологии настроены на то, чтобы добавлять материал для производства изделия. Такой материал, если речь идет о постоянных магнитах, должен представлять собой порошок редкоземельносодержащего магнитотвердого металла, а для ярма нужен порошок магнитомягкого металла. Важным элементом такой технологии является лазерное спекание порошка, которое не просто придает форму изделию, но и формирует его функциональные свойства.

В перспективе такая технология, называемая иначе 3D-печать, должна позволить печатать роторы электродвигателей или даже электродвигатели целиком. Данное направление мы с успехом разрабатываем (подробнее см. «Уральские разработки притягивают», «Э-У» №6 от 27 мая 2024 — ред.)

Магнетизм в живых клетках и космосе

— Какие фундаментальные исследования сейчас находятся в фокусе внимания вашего коллектива?

— Одно из перспективных научных направлений связано с биомагнетизмом. В УрФУ успешно работает научная школа, изучающая поведение ультрамелких магнитных частиц в магнитном поле и при тепловых воздействиях. Такая работа ведется на кафедре теоретической и математической физики, участвующей в нашем проекте. В фокусе исследователей, в частности, теория магнитомеханики живой клетки. Эта теория подразумевает разработку вариантов магнитных частиц, которые бы могли проникать в клетку и там локализовываться. После этого с помощью переменного магнитного поля можно сделать их источниками тепловой энергии. И в результате это место будет нагрето и уничтожено, что важно для борьбы с опухолями. В другом случае магнитные частицы могут использоваться как переносчики лекарственных средств. Технологические перспективы есть и здесь, но до реализации еще долгий путь.

Еще одно направление исследовательской деятельности связано с магнитной сенсорикой. Например, с помощью магнитного поля бесконтактным образом можно менять электрическое сопротивление ферромагнитных проводников, что явилось основой для выполненной нами разработки в рамках постановления Правительства РФ №218 — создания специальных магнитных сенсоров. В качестве индустриального партнера в этом проекте выступило НПО автоматики.

В ходе выполнения проекта были разработаны датчики, которые вошли в состав телеметрической измерительной аппаратуры на космических кораблях нового поколения. Эти датчики, в частности, стали составной частью бесконтактных измерителей тока в системе контроля работоспособности всей электроники и энергообеспечения космического корабля. Бесконтактный измеритель тока позволяет, не нарушая кабель, понимать, течет по нему ток или нет, а если течет, то какой. Определение силы тока происходит через измерение магнитного поля у поверхности кабеля. В свою очередь, наличие или отсутствие токов в кабелях говорит о работоспособности всей системы в целом. В земных условиях разработанные нами сенсоры можно использовать для измерения и постоянного контроля силы тока, протекающего по линиям электропередачи.

Среди задач, на которые ориентирован наш проект, не все носят материаловедческий характер. Магнитные системы, то есть технические устройства, являющиеся источниками магнитного поля, тоже сфера наших интересов и компетенций. Среди наиболее амбициозных проектов в этой области — участие в создании нацио­нального эталона единицы массы. До сих пор действующий в России государственный первичный эталон представляет собой «гирьку» из иридий-платинового сплава, сделанную больше ста лет назад. Сегодня мировое метрологическое сообщество ориентируется на принятое в 2018 г. решение перейти при эталонировании массы к физической постоянной Планка.

И вот для реализации этого плана нужно создать довольно сложную техническую систему на основе весов Киббла. Важнейшей составляющей этих весов является магнитная система, она весьма сложная, потому что точности по величине, однородности, температурной чувствительности создаваемого ею магнитного поля очень высокие. Мы участвуем в создании такого эталона в части магнитной системы. Год назад был выполнен договор на разработку и изготовление прототипа такой системы. В итоге были определены основные подходы, которые позволят создать весы Киббла с точностными характеристиками, не уступающими лучшим мировым образцам. На следующем этапе должна быть создана полномасштабная система. Это серьезная работа, рассчитанная на несколько лет. Мы надеемся, что эти планы сбудутся, и уже начали формировать команду.

— Одним из фокусов программы «Приоритет-2030» является подготовка кадров. Как реализуется это направление, проявляет ли молодежь интерес к этой области знаний?

— Нам удалось сформировать целевую магистратуру для подготовки кадров в нашей области знаний. Магистратура по физике в широком плане организована и функционирует у нас достаточно давно. Но когда появилась возможность поддерживать магистрантов, ориентированных на нашу область, финансово в рамках программы «Приоритет-2030», интерес к магнетизму и магнитным материалам заметно повысился.

Сейчас на втором курсе магистратуры на физику выделено 15 мест, их них 10 — по нашему направлению, все студенты работают либо инженерами-исследователями, либо лабо­рантами-исследователями. Больше половины строят планы пойти в аспирантуру. То есть нам удалось сформировать команду молодых людей, которые планируют посвятить свою жизнь деятельности в сфере магнетизма.

У меня, в частности, подготовлено насколько молодых кандидатов наук, каждый из которых может вести самостоятельную работу и вокруг себя формировать группу из магистрантов и аспирантов. Таким образом, мы видим возможности для продолжения развития традиций уральской школы магнетизма в целом и ведущей научной школы УрФУ «Физика магнитных материалов» в частности. Это особенно актуально, учитывая те задачи, которые стоят в России по развитию собственного производства магнитных материалов и изделий на их основе.