Физики Урала добились лучшего в мире результата для аддитивных технологий производства постоянных магнитов
Исследователи Уральского федерального университета (УрФУ, Екатеринбург), Института физики металлов (ИФМ) Уральского отделения РАН и Института материаловедения им. Лейбница (Бремен, Германия) создали магниты с лучшей в мире коэрцитивной силой (устойчивостью к размагничиванию). Магниты выращивают с помощью 3D-печати, не используя тяжелые редкоземельные металлы (РЗМ), что снижает стоимость производства и увеличивает намагниченность материала. При этом можно создавать эффективные постоянные магниты любой геометрической формы.
— 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. 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.
Основа для изготовления магнитов — порошки из нанокристаллического сплава неодима, железа и бора. Магниты из этого сплава имеют высокие магнитные характеристики, способны сохранять намагниченное состояние, а также не содержат дорогостоящий кобальт, который применяется в литий-ионных аккумуляторах. Кроме того, магниты из этого сплава при комнатной температуре запасают больше «магнитной» энергии, чем любой другой тип магнитов.
— 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 1000°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.
Следующая задача исследователей — повышение коэрцитивной силы микрокристаллических магнитов. Цель — экономичное серийное 3D-производство постоянных магнитов с высокой коэрцитивной силой и многообразной конфигурацией без использования тяжелых РЗМ.
Постоянные магниты — изделия из магнитотвердых материалов, способные сохранять состояние намагниченности в течение длительного времени. Используются в качестве автономных источников магнитного поля, для преобразования механической энергии в электрическую и наоборот. Области применения — робототехника, магнитно-резонансная томография, производство ветрогенераторов, электродвигателей постоянного тока, мобильных телефонов, высококачественных динамиков, бытовой техники. Повышение коэрцитивной силы — наиболее важная задача при модификации постоянных магнитов.