Магниты известны человечеству с давних времен. Еще в Древней Греции было обнаружено свойство некоторых каменных пород притягивать куски железа. Современные ученые выяснили, что не только материалы на основе железа (ферриты) обладают магнитными свойствами. Одними из мощнейших на сегодня являются самарий-кобальтовые (или самариевые) магниты. Их главная особенность – высокая температурная стойкость или сохранение изначальной намагниченности при температурах до 350°С.
Доцент кафедры «Компьютерное моделирование и нанотехнологии» Института естественных и точных наук ЮУрГУ Андрей Соболев (к. ф.-м. н.) совместно с коллегами из Института физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения РАН (г. Екатеринбург) занимается исследованием самариевых магнитов. Его работа «Моделирование структуры и изучение влияния примеси атомов Cu на магнитные свойства сплавов системы Sm-Co для высокотемпературных постоянных магнитов» позволила Андрею Соболеву стать одним из победителей конкурса «Начало большой науки», проводимого в ЮУрГУ в рамках Проекта 5-100.
Фото: Андрей Соболев, доцент кафедры «Компьютерное моделирование и нанотехнологии» Института естественных и точных наук
Зачем магниту постоянство?
Магнит – тело, обладающее собственным магнитным полем. Простейшим и самым маленьким магнитом можно считать электрон. Магнитные свойства всех остальных магнитов обусловлены магнитными моментами электронов внутри них. Постоянный магнит – изделие, изготовленное из ферромагнетика, способного сохранять остаточную намагниченность после выключения внешнего магнитного поля.
«Сегодня постоянные магниты находят полезное применение во многих областях человеческой жизни. Практически в любой квартире в различных электроприборах и в механических устройствах можно обнаружить постоянный магнит. Они применяются в медицинской технике и в измерительной аппаратуре, в различных инструментах и в автомобильной промышленности, в двигателях постоянного тока, в акустических системах, в бытовых электроприборах и много где еще: радиотехника, приборостроение, автоматика, телемеханика и т. д. – ни одна из этих областей не обходится без использования постоянных магнитов», – приводит примеры Андрей Соболев.
Магнитными свойствами обладают только ферромагнетики, то есть такие вещества, которые (при температуре ниже точки Кюри) способны обладать намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля. Ферромагнетиков в таблице Менделеева всего 3: железо, кобальт и никель. Но отдельно они имеют достаточно плохие магнитные свойства. Эти свойства увеличиваются, если ферромагнетик соединить с одним из редкоземельных элементов (например, самарием или неодимом).
Фото: Вибрационный магнитометр
Самарий решит проблему импортозамещения
В современном производстве самым популярным являются неодимовые магниты. Появившийся в 1982 трёхкомпонентный сплав из неодима, железа и бора (NeFeB), обладает невероятной остаточной намагниченностью. Неодимовый магнит при малых размерах создаёт сильное магнитное поле, его коэрциативная сила очень велика, то есть магнит устойчив к размагничиванию. Себестоимость неодимовых магнитов ниже, чем у самарий-кобальтовых, что и предопределило их широкое распространение в различных областях электроники, медицины, техники и промышленности.
«Проблема в том, что большинство шахт по добыче неодима находится в Китае. Эта страна практически полностью контролирует выработку руды, содержащей редкоземельные металлы. А месторождения самария есть в России. Так что использование самариевых магнитов может стать хорошей импортозамещающей стратегией», – уверен ученый.
У магнитов с неодимом есть еще один большой недостаток: при нагревании они теряют свои магнитные свойства. Самариевые магниты способны выдерживать более высокие температуры, чем неодимовые магниты. Максимальная рабочая температура магнитов из сплава самарий-кобальт находится в диапазоне от 250 до 350 градусов Цельсия. Кроме того, самариевые магниты меньше подвержены коррозии, чем неодимовые магниты и обычно не требуют покрытия. Благодаря особой коррозийной стойкости, именно самариевые магниты применяются в стратегических разработках и военных приложениях.
«Сейчас есть тренд на использование электротранспорта, электроавтомобилей, электродвигателей, ветрогенераторов, то есть на так называемую «зеленую» энергию. В таких генераторах температуры достаточно высокие и, поэтому, неодимовые магниты там не работают, так как они теряют свои свойства. В таких случаях можно использовать только самариевые магниты, так как сплав самария-кобальта идеально подходит для агрессивных сред и сложных условий эксплуатации», – объясняет Андрей Соболев.
Фото: Дифрактометр
Исследование самариевых магнитов уральскими учеными
Задача ученых Южно-Уральского государственного университета и Института физики металлов состоит в том, чтобы понять механизм постоянных магнитов. Это позволит улучшить их структуру и свойства. Для этого нужны специальные эксперименты, которые смогут показать, что именно надо сделать с этими магнитами, чтобы они магнитили лучше всего. И хотя такие эксперименты проводились неоднократно, но экспериментальная химия не может ответить на вопрос «как?», то есть объяснить механизм. Для этого экспериментаторам на помощь приходит компьютерное моделирование.
«Компьютерное моделирование материалов с помощью теории функционала электронной плотности, предложенной американскими учеными Хоэнбергом и Коном, в настоящее время активно развивается. Эта теория позволяет решить систему уравнений Шредингера, которая описывает, как ведут себя отдельные электроны и описывает все пространство в целом. Коллеги из Института физики металлов занимаются экспериментальной частью исследования, а наша задача определить механизм магнитов методами компьютерного моделирования», – объясняет ученый из ЮУрГУ.
Метод, разработанный командой ученых уральских вузов, уже опробован на родственных структурах, где кобальт заменен на иттрий. Следующим этапом будет замена иттрия на самарий, который является более тяжелым элементом. Также в дальнейшем планируется добавить медь, чтобы иметь лучшую намагниченность. Это позволит получить более надежные магниты для промышленности и транспорта. Результаты исследования в ближайший год планируется опубликовать в высокорейтинговом научном журнале «Journal of magnetism and magnetic materials», который входит в Топ-25% Scopus.