Почему аналоги редкоземельных магнитов разочаровывают ученых
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.
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.
