Как можно снизить зависимость от дорогостоящих редкоземельных металлов при производстве постоянных магнитов? На данный момент ожидания от сплавов алюминия и марганца не оправдываются. Ученые из МИСИС объяснили причины.
Специалисты НИТУ МИСИС выяснили, почему сплавы, основанные на марганце, алюминии и галлии, которые казались многообещающими, показывают недостаточные магнитные характеристики по сравнению с теоретическими ожиданиями. Исследование выявило, что дело заключается в особенностях внутренней структуры материала. Работа опубликована в Journal of Alloys and Compounds.
Речь идет о сплаве системы Mn-Al-Ga, который считается одной из наиболее многообещающих альтернатив как слабым ферритовым магнитам, так и магнитам на основе дорогих редкоземельных элементов. Постоянные магниты находят применение в электродвигателях, генераторах, датчиках и других устройствах, где необходимы «долгоиграющие» источники индукции, не требующие электропитания.
Наиболее известным материалом для создания редкоземельных магнитов является неодим, однако в технике и электронике в основном используют сплавы неодима, самария и других редких земель, а также традиционных ферромагнетиков и вспомогательных компонентов, таких как комплекс Nd2Fe14B + SmCo5. Издержки на производство таких магнитов довольно высоки, но они отличаются компактностью и значительной силой. Самариевые магниты в 6 раз мощнее аналогичных по массе ферритов, а неодимовые — в 10 раз.
В поисках асимметричной альтернативы исследователи проанализировали быстрозакаленный сплав Mn-Al-Ga с применением просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и методов компьютерного моделирования на атомном уровне. ПЭМ продемонстрировала, что в материале формируется большое количество линейных дефектов кристаллической решетки. Эти дефекты создают своеобразные границы между областями кристаллической решетки с различным порядком расположения атомов.
Неожиданный эффект антиферромагнетизма
Анализ показал, что именно вокруг таких границ формируется антиферромагнитная связь между атомами марганца. В результате магнитные моменты некоторых атомов направлены навстречу друг другу и компенсируют друг друга. Это приводит к снижению общей намагниченности материала. По оценкам авторов, подобные дефекты могут уменьшать намагниченность насыщения примерно на 10%. Данное исследование стало одним из первых, где ухудшение магнитных характеристик непосредственно связано с конкретными особенностями микроструктуры сплава.