Российские и немецкие ученые исследуют 3D-печать постоянных магнитов с высокой коэрцитивной силой

Группа физиков Уральского федерального университета (УрФУ), Института физики металлов Уральского отделения РАН и бременского Института материаловедения имени Лейбница синтезировала с помощью 3D-печати постоянные магниты с высокой коэрцитивной силой без применения тяжелых редкоземельных металлов.

Как сообщает пресс-служба УрФУ, исследование открывает дорогу к получению эффективных постоянных магнитов любой геометрической формы с помощью технологий 3D-печати. Исследования пока носят экспериментальный характер, но в долгосрочной перспективе рассматривается возможность экономичного серийного аддитивного производства постоянных магнитов с высокой коэрцитивной силой и многообразной конфигурацией без использования тяжелых редкоземельных элементов. 

«Мы добились почти двукратного увеличения коэрцитивной силы магнитов. На сегодня это лучший в мире результат для аддитивных технологий производства постоянных магнитов. Абсолютное значение коэрцитивности наших магнитов более чем на треть выше по сравнению с мировыми аналогами. При этом принципиально важно, что инфильтрация сплава в межзеренные границы происходит одновременно с 3D-печатью магнитов. Одностадийный синтез магнитов с применением аддитивных технологий произведен впервые», — 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. 

В производстве опытных образцов применялась технология 3D-печати методом селективного лазерного наплавления (SLM) с использованием порошков из нанокристаллического сплава неодима, железа и бора. Магниты из этого сплава способны при комнатной температуре запасать больше «магнитной» энергии, чем любой другой тип магнитов, а также не содержат дорогостоящий кобальт. Кроме того, необходимое соединение, имеющее высокие магнитные характеристики, может быть получено сравнительно легко, а материал на его основе обладает достаточно высокой коэрцитивной силой, то есть способностью к сохранению намагниченного состояния.  

Точка Кюри у основной магнитотвердой фазы сравнительно невысока: при температуре выше 310°С материал переходит из ферромагнитного состояния в парамагнитное, то есть магнитные свойства вещества быстро деградируют. Это снижает коэффициент полезного действия и крутящий момент двигателей, в которых используются такие магниты. Обычно эту проблему решают замещением неодима тяжелыми редкоземельными металлами — диспрозием и тербием, а железа — кобальтом, но оба подхода приводят к снижению намагниченности материала магнита и к удорожанию производства, что затрудняет их применение. Поэтому физики УрФУ, с одной стороны, использовали высококоэрцитивный материал на основе соединения неодима, а с другой — поставили задачу увеличить его коэрцитивную силу, не прибегая к тяжелым редкоземельным металлам. Решением стало уменьшение межзеренного обменного взаимодействия. 

«Мы использовали порошкообразный сплав на основе неодима двух типов: нанокристаллический с размером зерен 25 нанометров и микрокристаллический с размером зерен 450 нанометров. Фактически, отжигая нанокристаллический сплав при температуре 10 000°С в течение получаса мы вырастили кристаллиты со средним размером 450 нм. Обменное взаимодействие этих зерен и состояние границы между ними и определяют гистерезисные магнитные свойства сплавов. С одной стороны, межзеренное взаимодействие позволяет в некоторых случаях увеличивать остаточную намагниченность и уменьшать содержание редкоземельных металлов, с другой — снижает коэрцитивную силу. Мы добивались ослабления межзеренного взаимодействия за счет изменения границы между зернами», — поясняет Алексей Волегов. 

Исследователи ввели в нанокристаллический и микрокристаллический неодимовые сплавы размельченный и доведенный нагреванием лазером до жидкого состояния эвтектический сплав на основе редкоземельных металлов, неодима и кобальта. Эти сплавы легко диффундируют вдоль границы зерен. Такая операция приводит к более низким значениям намагниченности, поэтому содержание введенного сплава в смеси было минимизировано до 20%. Эвтектический сплав связал магнитные частицы, чтобы из отдельных частиц неодимового сплава получился цельный постоянный магнит, а также снизил межзеренное взаимодействие, заполнив и расширив границу между зернами. Полученная коэрцитивность нанокристаллических магнитов в 1,7 раза больше, чем у микрокристаллических. 

Исследования ученых УрФУ и Института материаловедения имени Лейбница поддержаны грантами Министерства науки и высшего образования РФ и Немецкого научно-исследовательского общества (DFG). Доклад научной команды опубликован в журнале Acta Materialia.

А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru.