В МИСИС выяснили, как повысить эффективность магнитов без использования дорогостоящих редкоземельных элементов

Исследуя перспективный сплав на основе марганца, алюминия и галлия, ученые НИТУ МИСИС 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 постоянных 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 всем 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 расчетных.

Чтобы выяснить причину потери магнитных свойств, авторы изучили быстрозакаленный сплав Mn-Al-Ga на атомарном уровне с помощью просвечивающей электронной микроскопии и компьютерного моделирования.

Ученые обнаружили, что внутри материала формируется большое количество линейных дефектов кристаллической решетки. Они образуют границы между участками кристалла, где нарушается исходный порядок расположения атомов. 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.

Подобные дефекты, по оценкам исследователей, способны снизить такой параметр, как намагниченность насыщения, примерно на 10%. Таким образом, авторам впервые удалось 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 еще на этапе получения сплава», — рассказал один из авторов исследования, доцент кафедры физического материаловедения, ведущий научный сотрудник центра инфраструктурного взаимодействия и партнерства MegaScience НИТУ МИСИС, кандидат технических наук Михаил Горшенков.

Ученые считают, что полученные результаты открывают новые возможности для совершенствования магнитных материалов на основе марганца, а в будущем позволят создавать более эффективные и доступные магниты для энергетики, транспорта и электронной промышленности без использования дефицитных редкоземельных элементов.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда.