Ученые улучшили свойства материала для использования в космосе
На фото: структура материала под микроскопом
Российские исследователи улучшили свойства соединения тербия и железа. Этот материал устойчив к экстремально низким температурам (до -190°С). Созданные на его основе устройства можно использовать даже в космосе.
Кроме того, материал перспективен для использования в генераторах мощного звука и ультразвука, сенсорах магнитного поля и электрического тока, а также актуаторах — небольших приборах для микроперемещений тяжелых предметов. Работа выполнена сотрудниками подведомственных Минобрнауки России Уральского федерального университета (УрФУ) им. первого Президента России Б.Н. Ельцина и Института физики металлов им. М.Н. Михеева Уральского отделения (УрО) РАН.
Соединение тербия и железа (феррит тербия) — известный магнитострикционный материал. Магнитострикция — это эффект, при котором материал во внешнем магнитном поле меняет свой размер и форму. Это свойство активно используется в различных устройствах, в том числе в магнитострикционных актуаторах. С помощью таких приборов можно точно управлять движением технических элементов, например, двигать линзы в оптических приборах.
Также эффект магнитострикции способен проявляться под высокими нагрузками. С его помощью без серьезных усилий можно перемещать многотонные зеркала космического телескопа.
Однако у соединения есть два недостатка, которые ограничивают его активное применение. Первый — это небольшой диапазон температур, при котором соединение проявляет свои свойства. Ученые решили эту проблему. Они выяснили, что расширить его и сделать материал пригодным для применения в условиях экстремально низких температур позволит легирование (добавление) марганца.
«В нашем соединении значение магнитострикции при температуре жидкого азота (примерно -193°С) на четверть выше, чем у исходного. Это может быть полезно в устройствах, применяемых в условиях Крайнего Севера и даже, например, на Марсе, где такая температура является атмосферной. Используемые там устройства для настройки оптики, телескопов и датчиков могут быть усовершенствованы с помощью нашего соединения. Они позволят сохранить точность отладки приборов в условиях перепада температур, который характерен для Марса. При этом при комнатной температуре наше соединение сохраняет магнитострикцию, не уступающую исходному ферриту тербия», — поясняет младший научный сотрудник Института физики металлов УрО РАН Александр Барташевич.
Второе ограничение связано с тем, что добиться высоких значений магнитострикции в феррите тербия возможно только в магнитном поле большем, чем может создать простейший недорогой электромагнит. Исследователи подчеркивают, что марганец уменьшает размер требуемого магнитного поля для получения высоких значений магнитострикции.
На фото: старший научный сотрудник отдела магнетизма твердых тел, доцент кафедры магнетизма и магнитных наноматериалов УрФУ Никита Кулеш в лаборатории
«Напряженность магнитного поля, требуемая для проявления свойств материала, изменяется в эрстедах. Так вот, если исходному соединению тербия и железа для проявления магнитострикции требовалось магнитное поле более 20 килоэрстед, то наше соединение способно показывать хорошие результаты при магнитном поле, равном 18. Это позволяет уменьшить электропотребление устройств, в основе которых будет наше соединение. Замещение тербия на марганец также позволяет снизить цену производства самого соединения, поскольку редкоземельные металлы стоят дороже, чем марганец», — добавляет старший научный сотрудник отдела магнетизма твердых тел, доцент кафедры магнетизма и магнитных наноматериалов УрФУ Никита Кулеш.
По словам авторов, они первыми заместили редкоземельный тербий на нередкоземельный марганец. Ранее тербий в соединении замещали на диспрозий, также редкоземельный металл, который улучшал свойства соединения, но не удешевлял его производство.
Исследование проведено при финансовой поддержке Минобрнауки России, его результаты опубликованы в научном журнале Journal of Alloys and Compounds.
