Учёные НИТУ МИСИС выяснили, как повысить эффективность постоянных магнитов без использования дорогостоящих редкоземельных элементов. Исследуя перспективный сплав на основе марганца, алюминия и галлия, они обнаружили особенности его внутреннего строения, которые снижают магнитные характеристики материала примерно на 10%. Полученные результаты помогут разработать новые подходы к созданию более мощных и доступных магнитов для энергетики, транспорта и электронной промышленности.
Постоянные магниты используются в электродвигателях, генераторах, датчиках и других устройствах. Сегодня лучшие характеристики обеспечивают материалы с редкоземельными элементами, однако их производство связано с высокой стоимостью и зависимостью от ограниченных ресурсов. Поэтому во всём мире активно ищут альтернативы на основе более доступных металлов.
Одним из перспективных кандидатов считается сплав марганца, алюминия и галлия. Он способен сохранять сильные магнитные свойства без применения редкоземельных элементов, однако на практике его характеристики часто оказываются ниже расчётных.
Чтобы выяснить причину, исследователи НИТУ МИСИС изучили быстрозакалённый сплав Mn-Al-Ga с помощью просвечивающей электронной микроскопии и компьютерного моделирования на атомном уровне (первопринципных рассчетов). Анализ показал, что внутри материала формируется большое количество линейных дефектов кристаллической решётки. Они образуют границы между участками кристалла, где нарушается исходный порядок расположения атомов.
Учёные установили, что именно вблизи этих границ возникают антиферромагнитная связь между атомами марганца. В результате часть атомов начинает компенсировать магнитное действие друг друга, что приводит к снижению общей намагниченности материала. Такие дефекты способны уменьшать такие характеристики как намагниченность насыщения примерно на 10%. Таким образом, исследователям удалось впервые напрямую связать особенности внутреннего строения сплава с ухудшением его магнитных свойств.
«Мы обнаружили, что высокая плотность дефектов оказывает заметное влияние на магнитное состояние материала. Понимание этого механизма позволяет целенаправленно искать способы уменьшения количества таких дефектов или предотвращать их образование ещё на этапе получения сплава», — сказал к.т.н. Михаил Горшенков, доцент кафедры физического материаловедения, ведущий научный сотрудник центра инфраструктурного взаимодействия и партнерства MegaScience НИТУ МИСИС.
Результаты исследования открывают новые возможности для совершенствования магнитных материалов на основе марганца. В дальнейшем это позволит создавать более эффективные и доступные магниты для энергетики, транспорта и электронной промышленности без использования дефицитных редкоземельных элементов.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда. Исследование опубликовано в научном журнале Journal of Alloys and Compounds (Q1).
Исследование соответствует стратегической цели Университета МИСИС в рамках программы «Приоритет-2030»: разработка востребованных технологических продуктов мирового уровня.
