Физики Уральского федерального университета увеличили стабильность нанокристаллических неодимовых магнитов, которые используют в высокоэффективных электродвигателях (насосы для нефтедобычи, стоматология) и другой технике. Новый подход позволил создавать магниты с редкоземельными металлами, которые могут быть дешевле аналогов. Если получится реализовать метод на промышленном уровне, в России может появиться технология, не имеющая мировых аналогов. Полученные результаты ученые опубликовали в Journal of Alloys and Compounds. Работу поддержало Минобрнауки России (проект FEUZ-2024-0060) в рамках Десятилетия науки и технологий.
«Мы использовали нанокристаллический материал, который применяют в качестве наполнителя в магнитопластах и магнитоэластах. Отдельно изготовили легкоплавкую добавку, содержащую редкоземельные металлы. В процессе отжига легкоплавкая добавка в жидком состоянии обволакивала кристаллиты материала и сформировала структуру “ядро-оболочка”. Иными словами, добавка, содержащая редкоземельные металлы, создала на поверхности каждого кристаллита “оболочку”, которая препятствует размагничиванию, что резко увеличивает его коэрцитивную силу», — поясняет руководитель исследовательской группы, заведующий кафедрой магнетизма и магнитных наноматериалов УрФУ Алексей Волегов.
Коэрцитивная сила — сопротивление магнита размагничиванию. Чем выше коэрцитивная сила, тем сложнее его «испортить» и тем устойчивее он к внешним воздействиям, которые влияют на его намагниченность: высокая температура, удары, сильная вибрация, постороннее магнитное поле.
«Неодимовые магниты — магниты на основе сплава неодим-железо-бор — на сегодня лучшие с точки зрения намагниченности. Если неодим заменить на тербий, диспрозий или другой тяжелый редкоземельный элемент, можно, с одной стороны, увеличить коэрцитивную силу, а с другой, уменьшить намагниченность и очень сильно — иногда в 30 раз — повысить стоимость магнита. Но так создавали магниты последние 35–40 лет. Сейчас весь мир пытается добиться необходимых свойств по-другому: в местах, где возникает зародыш перемагничивания, а это, как правило, граница зерна, помещают немного тербия либо диспрозия, а основную часть зерна оставляют неодимовой. Такой подход приводит к тому, что намагниченность почти не уменьшается, коэрцитивная сила при этом увеличивается заметно, в 1,5–2 раза. Температура эксплуатации магнитов также увеличивается с 80 до 180 градусов Цельсия. А стоимость таких магнитов за счет сырья увеличивается очень незначительно», — рассказывает Алексей Волегов.
В работе уральские физики также смогли добиться уменьшения межзеренного обменного взаимодействия в нанокристаллическом материале. В итоге добавка с неодимом повысила коэрцитивную силу магнита в 2,5 раза. А инфильтрация сплавом с тербием дала максимальный эффект — коэрцитивная сила выросла в 3,7 раза и почти достигла теоретического предела для этого материала.
В планах ученых — научиться печатать такие магниты на 3D-принтере. Это позволит управлять текстурой, формой магнитов и создавать сложные магнитные системы.
«Сегодня на нанокристаллические магниты приходится 10–15 % от мирового объема производства. Такие магниты пытаются создавать и небольшие фирмы, и крупные компании. Их создают в случаях, когда необходимо недорогое производство магнитов с заданными свойствами, определенных форм. И, если наладить производство, то зачастую их дешевле создавать самостоятельно, чем заказывать, например, в Китае», — заключает Алексей Волегов.
Справка
Нанокристаллические неодимовые магниты — это класс передовых магнитных материалов, которые используют в тех же высокотехнологичных областях, где и традиционные неодимовые магниты: электротранспорте, возобновляемой энергетике (ветрогенераторах), высокоточных датчиках и электронике, в медицинской технике, промышленном оборудовании (например, двигатели).
Отличие нанокристаллических магнитов от «стандартных» в их структуре. Обычные магниты — микрокристаллические (кристаллиты магнита больше). Нанокристаллические магниты получают путем специальной обработки (быстрое охлаждение расплава, последующий отжиг), которая создает структуру из мельчайших зерен-кристаллов размером в десятки нанометров.
В будущем нанокристаллические магниты могут стать ключевым компонентом для повышения эффективности, миниатюризации и производительности в самых современных технологиях, от зеленой энергетики и электромобилей до робототехники и медицины.
Фото: пресс-служба УрФУ.
