Улучшенный материал позволит перемещать тяжелые предметы в суровых условиях

Исследователи УрФУ и Института физики металлов УрО РАН улучшили свойства магнитострикционного материала (соединение тербия и железа), который перспективен для использования в различных устройствах: генераторах мощного звука и ультразвука, сенсорах магнитного поля и электрического тока, а также актуаторах — небольших приборах для микроперемещений тяжелых предметов. Главным преимуществом усовершенствованного материала является то, что он устойчив к экстремально низким температурам (до −190 °С). То есть устройства, созданные на его основе, могут быть использованы даже в космосе. Статья ученых опубликована в журнале Journal of Alloys and Compounds.

Соединение тербия и железа (феррит тербия) — известный магнитострикционный материал. Магнитострикция — это эффект, при котором материал во внешнем магнитном поле меняет свой размер и форму. Данное свойство активно используется в различных устройствах, в том числе магнитострикционных актуаторах. С помощью таких приборов можно очень точно управлять движением каких-либо технических элементов, например, двигать линзы в оптических приборах. Также эффект магнитострикции способен проявляться под высокими нагрузками. Так, с помощью магнитострикции можно перемещать многотонные зеркала космического телескопа без серьезных усилий.

Однако соединение имеет 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 интервал и сделать материал пригодным для применения в условиях экстремально низких температур позволит добавление (легирование) 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 соавтор исследования младший научный сотрудник Института физики металлов УрО РАН Александр Барташевич.

Второе ограничение для использования соединения в различных приборах связано с тем, что добиться высоких значений магнитострикции в феррите тербия возможно только в магнитном поле большем, чем может создать простейший недорогой электромагнит. Ученые подчеркивают, что марганец уменьшает размер требуемого магнитного поля для получения высоких значений магнитострикции.

«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 чем 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.

Ученые отмечают, что в исследовании они впервые заместили редкоземельный тербий на нередкоземельный марганец. Ранее тербий в соединении замещали на диспрозий, редкоземельный металл, который улучшал свойства соединения, но не удешевлял его производство.

Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки России (темы «Магнит» и «Сплавы»), а также при частичной поддержке РФФИ (проект № 20-42-660008) и правительства Свердловской области.

Магнитострикционные материалы находят широкое применение в генераторах и приемниках ультразвука. Например, с помощью ультразвуковой обработки можно очищать нефтяные скважины, тем самым повышая качество и количество добываемой нефти. А также в сенсорах магнитного поля и электрического тока, устройствах активной виброзащиты, магнитоэлектрических преобразователях энергии, датчиках деформаций, актуаторах и т. д.

Магнитострикционные актуаторы — это специальные короткоходные линейные приводы. В основе принципа их действия лежит магнитострикционный эффект, то есть изменение микроструктуры и линейных размеров вещества под воздействием магнитного поля. Линейное перемещение магнитострикционного актуатора осуществляется за счет изменения формы материала, что обеспечивает высочайшую жесткость. Магнитострикционные материалы не деградируют со временем и не боятся перегрева, при остывании они восстанавливают свои свойства. Однако они требуют высокой напряженности магнитного поля, поэтому актуаторы на их основе потребляют большой ток. Важным преимуществом магнитострикционных актуаторов является высокая скорость непрерывной циклической работы.

Области применения магнитострикционных актуаторов определяются их особенностями — малой длиной хода и высоким быстродействием. Поэтому они используются для линейных перемещений, например, в оборудовании для нефтегазовой отрасли, автоматических шумоподавителях и виброгасителях, системах очистки распылителей и вибрационных экранов. Перспективными областями применения являются медицинское оборудование и аэрокосмическая отрасль.

Уральский федеральный университет — один из ведущих вузов России, который в 2020 году отметил 100-летие. УрФУ расположен в Екатеринбурге. Университет выступает инициатором создания и выполняет функции проектного офиса Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня «Передовые производственные технологии и материалы», который призван решить задачи национального проекта «Наука».

Фото: Анастасия Фарафонтова