Ученые РФ приблизили создание сильных магнитов без РЗМ для энергетики и транспорта
Исследователи подобрали состав сплава и режим его обработки так, чтобы в нем лучше формировалась магнитная фаза, необходимая для работы постоянных магнитов. Такие материалы востребованы в энергетике, электромашиностроении и транспорте.
Источник: МИСИС. Авторы исследования за работой.
МОСКВА, 16 апреля. /Новости науки/. Ученые НИТУ МИСИС нашли способ улучшить сплав на основе марганца и алюминия, который может стать более дешевой альтернативой редкоземельным (РЗМ) магнитам, говорится в сообщении пресс-службы университета.
Исследователи подобрали состав материала и режим его обработки так, чтобы в нем лучше формировалась магнитная фаза, необходимая для работы постоянных магнитов. Такие материалы востребованы в энергетике, электромашиностроении и транспорте.
Сегодня самые мощные постоянные магниты часто делают с использованием редкоземельных элементов. Но такие материалы дороги, а их производство зависит от ограниченного сырья. Поэтому ученые во всем мире ищут замену.
Одним из перспективных вариантов считается сплав марганца и алюминия. Его магнитные свойства связаны с так называемой τ-фазой. Проблема в том, что эта фаза нестабильна: она легко разрушается при изменении температуры или условий обработки, из-за чего материал трудно использовать на практике.
Исследователи МИСИС изучили, как на этот сплав влияет добавление небольшого количества ванадия, а также разные способы охлаждения — от обычной закалки до сверхбыстрого охлаждения расплава на вращающемся медном диске. В работе рассматривались сплавы с содержанием марганца от 51% до 55%.
«Состав и режим охлаждения позволяют точнее управлять структурой материала. Мы выяснили, что добавление ванадия делает магнитную τ-фазу менее устойчивой: она формируется в более узком диапазоне составов и разрушается при более низкой температуре. Однако при сверхбыстрой закалке ванадий помогает получить эту фазу без дополнительной термообработки», — пояснил доцент кафедры физического материаловедения Михаил Горшенков.
Лучший результат ученые получили для сплава Mn₅₃Al₄₄V₃. В литом образце после закалки и отжига доля нужной магнитной фазы превышала 90%. А в тонких металлических лентах, которые получали сверхбыстрым охлаждением, высокая доля этой фазы возникала вообще без дополнительного отжига.
Это важно, потому что в перспективе технология производства таких магнитов может стать проще и дешевле. Кроме того, исследователи зафиксировали небольшой рост намагниченности ферромагнитной фазы, что тоже делает материал более привлекательным.
Во время работы ученые заметили и еще один необычный эффект. Оказалось, что температура Кюри — точка, при которой материал теряет ферромагнитные свойства, — ведет себя по-разному при нагреве и охлаждении. Разница превысила 100 градусов Цельсия.
«Еще одним интересным результатом является обнаружение гистерезиса температуры Кюри: температура фазового перехода ферромагнетик-парамагнетик при нагреве образца оказалась более чем на 100 ℃ выше, чем при охлаждении. При этом изменения кристаллической структуры материала не наблюдалось», — сказала Анастасия Фортуна.
По ее словам, такой эффект нехарактерен для большинства ферромагнетиков и раньше не наблюдался в этих сплавах. Ученые предполагают, что он может быть связан с магнитным фазовым переходом первого рода. Если это подтвердится, материал может оказаться полезным не только для магнитов, но и для различных датчиков.
Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Magnetism and Magnetic Materials. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда.
Исследователи подобрали состав материала и режим его обработки так, чтобы в нем лучше формировалась магнитная фаза, необходимая для работы постоянных магнитов. Такие материалы востребованы в энергетике, электромашиностроении и транспорте.
Сегодня самые мощные постоянные магниты часто делают с использованием редкоземельных элементов. Но такие материалы дороги, а их производство зависит от ограниченного сырья. Поэтому ученые во всем мире ищут замену.
Одним из перспективных вариантов считается сплав марганца и алюминия. Его магнитные свойства связаны с так называемой τ-фазой. Проблема в том, что эта фаза нестабильна: она легко разрушается при изменении температуры или условий обработки, из-за чего материал трудно использовать на практике.
Исследователи МИСИС изучили, как на этот сплав влияет добавление небольшого количества ванадия, а также разные способы охлаждения — от обычной закалки до сверхбыстрого охлаждения расплава на вращающемся медном диске. В работе рассматривались сплавы с содержанием марганца от 51% до 55%.
«Состав и режим охлаждения позволяют точнее управлять структурой материала. Мы выяснили, что добавление ванадия делает магнитную τ-фазу менее устойчивой: она формируется в более узком диапазоне составов и разрушается при более низкой температуре. Однако при сверхбыстрой закалке ванадий помогает получить эту фазу без дополнительной термообработки», — пояснил доцент кафедры физического материаловедения Михаил Горшенков.
Лучший результат ученые получили для сплава Mn₅₃Al₄₄V₃. В литом образце после закалки и отжига доля нужной магнитной фазы превышала 90%. А в тонких металлических лентах, которые получали сверхбыстрым охлаждением, высокая доля этой фазы возникала вообще без дополнительного отжига.
Это важно, потому что в перспективе технология производства таких магнитов может стать проще и дешевле. Кроме того, исследователи зафиксировали небольшой рост намагниченности ферромагнитной фазы, что тоже делает материал более привлекательным.
Во время работы ученые заметили и еще один необычный эффект. Оказалось, что температура Кюри — точка, при которой материал теряет ферромагнитные свойства, — ведет себя по-разному при нагреве и охлаждении. Разница превысила 100 градусов Цельсия.
«Еще одним интересным результатом является обнаружение гистерезиса температуры Кюри: температура фазового перехода ферромагнетик-парамагнетик при нагреве образца оказалась более чем на 100 ℃ выше, чем при охлаждении. При этом изменения кристаллической структуры материала не наблюдалось», — сказала Анастасия Фортуна.
По ее словам, такой эффект нехарактерен для большинства ферромагнетиков и раньше не наблюдался в этих сплавах. Ученые предполагают, что он может быть связан с магнитным фазовым переходом первого рода. Если это подтвердится, материал может оказаться полезным не только для магнитов, но и для различных датчиков.
Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Magnetism and Magnetic Materials. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда.
