Современные достижения в развитии традиционных и поиске новых магнитотвердых материалов, не содержащих редкоземельные металлы


Компания:НИТУ МИСиС
Классификация: Материалы Энергетика

Постоянные магниты (ПМ) из различных магнитотвердых материалов (МТМ) играют ключевую роль в современной жизни. Уникальная способность ПМ служить источником магнитного потока в отсутствие намагничивающего поля позволяет использовать их в устройствах для (1) преобразования электрической энергии в механическую и наоборот, (2) передачи электрической энергии на расстояние, (3) обеспечения микроволновой связи, (4) управления движением заряженных частиц и (5) хранения информации, что определяет их незаменимость в современной науке и технике.

Постоянные магниты обеспечивают работу генераторов, вихре-токовых тормозов, электродвигателей, реле и магнитных муфт. ПМ применяются в компьютерах, автомобилях, бытовой электронике, изделиях медицинского назначения. ПМ находят широкое применение в военной технике, расширяя функциональные возможности двигателей реактивных истребителей, используются в электронных системах противоракетных комплексов и системах спутниковой связи. Кроме того, высокоэнергетические ПМ являются неотъемлемой частью альтернативных источников энергии: ветрогенераторов и приливных электростанций. В табл. 1 приведены величины ТС и теоретического предела (BH)мах ферромагнитных металлов и современных МТМ, которые определяют области применения ПМ с учетом их максимальной рабочей температуры и стоимости.

Таблица 1 – Температура Кюри и максимальная магнитная энергия МТМ

Материал

TC (°C)

(BH)мах, (МГсЭ)

Траб (°C)

Железо

770

0.2


Никель

358

-


Кобальт

1130

-


Феррит бария

450

2.5

250

Феррит стронция

400-700

3.5

280

Алнико (Fe35Co35Ni15Al7Cu4Ti4)

850

9.4

500

SmCo5

720

24

250

Sm2Co17

820

30

350

Sm2Fe17Nx

470

58

150

Nd2Fe14B

310

65.6

100

Высокоэнергетические ПМ на основе соединения Nd2Fe14B характеризуются низкими значениями ТС и Траб и не очень высокой магнитокристаллической анизотропией. Для компенсации сильной температурной зависимости Нci в сплавы Nd-Fe-B добавляют Dy или Tb, которые, к сожалению, приводят к снижению Br, (BH)мах и существенному повышению цены ПМ. Последнее десятилетие ознаменовалось проведением интенсивных исследований, направленных на снижение содержания тяжелых РЗМ в Nd-Fe-B магнитах с использованием различных методологий: (1) получение нелегированных спеченных магнитов с ультрамелким (до 1 мкм) зерном; (2) введение Dy (Tb) через обогащенные ими сплавы-добавки; (3) использование межзеренной диффузии в процессе отжига спеченных магнитов, на поверхность которых были предварительно нанесен слой Dy, Tb или их соединений.

Другим путем решения «проблемы Dy» служит создание нового типа МТМ для высокоэнергетических ПМ, способных работать при повышенных температурах. Среди разрабатываемых материалов наибольший интерес представляют обменно-связные нанокомпозиционные МТМ. Эти материалы формируются в виде смеси нанозерен магнитотвердой и магнитомягкой фаз с определенной морфологией. Причем каждый тип создаваемых нанокомпозитов предназначается для определенной области применения. Например, для вентильных двигателей и ветрогенераторов разрабатываются нанокомпозиционные магниты, состоящие из нанозерен магнитотвердых Sm-Co фаз и нанозерен Fe (FeCo), обладающие более высокой (BH)мах при повышенных температурах при более низкой цене, по сравнению с магнитами Nd-Dy-Fe-B.

В настоящее время используются два типа технологий получения обменно-связных нанокомпозиционных ПМ: (1) непосредственное получение нанокомпозита, например, путем спиннингования сплава с избыточным содержанием Fe (FeCo), по сравнению со стехиометрией основной магнитотвердой фазы (технология «top-down approaches»); (2) получение магнитотвердых и магнитомягких наночастиц и формирование из них ПМ путем смешивания, создания текстуры и уплотнения до массивного состояния (технологии «вottom-up approaches»). Для реализации технологий 2-го типа используются химические методы синтеза наночастиц различной формы, методы физического осаждения наночастиц (осаждение кластеров, термическое испарение, лазерное распыление), высокоэнергетическое измельчение в присутствии поверхностно-активных веществ, текстурирование анизотропных наночастиц в магнитном поле и получение монолитных образцов с использованием высокоскоростного термического компактирования (SPS спекание, прессование со сдвигом, прессование взрывом) или теплого прессования.

Наконец, третьим альтернативным путем решения «проблемы Dy» служит поиск МТМ на основе 3d-металлов, не содержащих РЗМ, способных конкурировать с высокоэнергетическими редкоземельными ПМ. Среди уже исследованных новых магнитотвердых сплавов практический интерес представляют следующие материалы: (1) сплавы системы Mn-Bi; (2) промежуточное α¢¢-Fe16N2 соединение; (3) карбиды кобальта системы ConC (n = 1 - 6); (4) эквиатомные сплавы систем FeNi и MnAlC с упорядоченной структурой типа L10.

Низкотемпературная модификация фазы MnBi характеризуется высокой магнитокристаллической анизотропией (К1 = 107 эрг/см3) при комнатной температуре, большим положительным температурным коэффициентом (в интервале 150 - 500 К) и теоретическим пределом (BH)мах = 16 МГсЭ. Использование методов аргонно-дуговой плавки, спиннингования, механического легирования, спекания в импульсной плазме позволило получить массивные магниты с (BH)мах до 7.7 и 4.6 МГсЭ при 20оС и 400оС, соответственно. Промежуточное α¢¢-Fe16N2 соединение с объемноцентрированной тетрагональной структурой характеризуется очень высокой величиной намагниченности насыщения (230 эму/г), превышающего σs чистого Fe. Однако, магнитокристаллическая анизотропия соединения не очень высокая, что, наряду с низкой термическая нестабильностью, приводящей к распаду α¢¢-Fe16N2 фазы на α-Fe и g-Fe4N выше 400оС, ограничивает его применение в качестве материала для ПМ. Карбиды кобальта системы ConC (n=1-6), синтезированные различными физическими и химическими методами в виде тонких пленок, наностержней и монолитного материала, характеризуются коэрцитивной силой 4 - 11 кЭ. Основным недостатком карбидов кобальта является низкая температура Кюри, не превышающая 240оС.

Эквиатомный сплав FeNi со структурой L10 известен в литературе как фаза тетратаенит, обнаруженная в структуре железосодержащих метеоритов. Этот сплав обладает очень высокими магнитными характеристиками, позволяющими рассматривать его в качестве перспективного МТМ для ПМ: намагниченность насыщения 16 кГс, температура Кюри 550оС, константа анизотропии (Кu = 3.106 эрг/см3), теоретический предел (BH)мах = 40 МГсЭ. Однако многочисленные попытки получения упорядоченной структуры L10 в массивном состоянии пока не увенчались успехом. Сплав MnAlC с аналогичной структурой L10 также характеризуется достаточно высоким уровнем магнитных характеристик (намагниченность насыщения 7,5 кГс, температура Кюри 250оС, константа анизотропии (Кu = 1,7.107 эрг/см3), теоретический предел (BH)мах = 14 МГсЭ). На быстрозакаленных образцах сплава MnAlC после термообработки получена Нci = 2 - 4 кЭ и (BH)мах = 4 -7 МГсЭ.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 – 2020 годы», соглашение от 27.06.2014 г. № 14.575.21.0043, уникальный идентификатор соглашения RFMEFI57514X0043.


Опубликовано: 30 Ноябрь 2016
Просмотров: 1004