Группа исследователей из Уральского федерального университета вместе с российскими и зарубежными коллегами впервые успешно создала с использованием 3D-печати постоянные магниты с высокой коэрцитивной силой без тяжелых редкоземельных металлов. Исследование позволит в будущем разрабатывать такие мощные магниты с помощью аддитивных технологий. Результаты работы опубликованы в журнале Acta Materialia.
«Нам удалось повысить коэрцитивную силу магнитов в два раза. Эта величина показывает, насколько материал устойчив к размагничиванию. На сегодняшний день это мировой рекорд для аддитивных технологий производства постоянных магнитов. Важно, что в нашем методе синтеза инфильтрация сплава в межзеренные границы происходит одновременно с 3D-печатью. Это первый раз, когда для создания таких магнитов использовали одностадийный процесс», — рассказывает 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.
Новые магниты ученые изготовили из порошков нанокристаллического сплава неодима, железа и бора. Этот материал уже давно зарекомендовал себя в качестве основы для мощных магнитов с высокой коэрцитивной силой. Кроме того, необходимое соединение, имеющее высокие магнитные характеристики, можно получить сравнительно легко. Вместе с тем точка Кюри у основной магнитотвердой фазы находится сравнительно невысоко: при температуре выше 310 °С материал переходит из ферромагнитного состояния в парамагнитное. Такое низкое значение температуры Кюри приводит к тому, что выше нее магнитные свойства вещества быстро ухудшаются. Это снижает КПД и крутящий момент двигателей, в которых используются такие магниты.
Чтобы решить эту проблему, ученые заместили неодим тяжелыми редкоземельными металлами — диспрозием и тербием, а железо — кобальтом. Но это снижает намагниченность материала магнита и делает его производство дороже, что затрудняет их применение. Поэтому исследователи УрФУ использовали высококоэрцитивный материал на основе соединения неодима и решили увеличить его коэрцитивную силу, не прибегая к тяжелым редкоземельным металлам, и уменьшили межзеренное обменное взаимодействие.
Для этого авторы ввели в нанокристаллический и микрокристаллический неодимовые сплавы размельченный сжиженный эвтектический сплав на основе редкоземельных металлов, неодима и кобальта. Такие сплавы легко диффундируют вдоль границы зерен. А использование этой технологической операции привело к более низким значениям намагниченности, поэтому содержание введенного сплава в смеси было минимизировано до 20%.
Эвтектический сплав связал магнитные частицы для создания из них цельного постоянного магнита. Также он заполнил и расширил границу между зернами, снизив межзеренное взаимодействие. При этом ученые установили, что полученная коэрцитивность нанокристаллических магнитов в 1,7 раза больше, чем у микрокристаллических.
