В Свердловской области удешевили и улучшили материал для космоса

Материал для космоса улучшили и удешевили исследователи Института физики металлов УрО РАН и УрФУ в Свердловской области. Магнитострикционный материал (соединение тербия и железа) очень перспективен для ряда отраслей.

В Свердловской области улучшили и удешевили материал для космоса. Его можно использовать при экстремально низких температурах. Исследователи Института физики металлов УрО РАН и УрФУ улучшили свойства магнитострикционного материала (соединение тербия и железа), перспективного для использования в сенсорах электрического тока и магнитного поля, в генераторах ультразвука и мощного звука, а также в маленьких приборах для микроперемещений тяжёлых предметов (актуаторах). Основное преимущество усовершенствованного материала состоит в том, что он устойчив к экстремально низким температурам (до -190 °С). Иными словами, устройства, созданные на его основе, могут быть полезны в космосе. Статья учёных об этом опубликована в журнале Journal of Alloys and Compounds.

Феррит тербия (соединение железа и тербия) – это популярный магнитострикционный материал. Магнитострикция представляет собой эффект, при котором во внешнем поле материал меняет свои форму и размер. Такое свойство часто используют в разных устройствах, включая магнитострикционные актуаторы. При помощи данных приборов можно очень точно управлять движением различных технических элементов, к примеру, перемещать линзы в оптических приборах. Эффект магнитострикции может проявляться под воздействием высоких нагрузок. С помощью магнитострикции можно перемещать многотонные зеркала космического телескопа, не прилагая существенных усилий.

У соединения 2 недостатка, ограничивающих его активное использование. Во-первых, это маленький диапазон температур, при котором соединение проявляет свойства. Эту проблему решили учёные. Как они выяснили, легирование (добавление) марганца позволит сделать материал пригодным для применения в условиях экстремально низких температур и увеличить интервал.

Младший научный сотрудник Института физики металлов УрО РАН, соавтор исследования Александр Барташевич поясняет, что значение магнитострикции в данном соединении при температуре жидкого азота (около -193°С) на 1/4 выше, нежели у исходного. Это может быть полезно на Марсе, где такая температура является атмосферной, или в условиях Крайнего Севера. С помощью соединения могут быть усовершенствованы используемые там устройства для настройки телескопов, оптики и датчиков. Они позволят сохранить точность отладки приборов в условиях перепада температур, что характерно для Марса. Это соединение сохраняет магнитострикцию при комнатной температуре, не уступая первоначальному ферриту тербия.

Второе ограничение связывают с тем, что добиться высоких значений магнитострикции в феррите тербия можно только в большем магнитном поле, чем способен создать самый простой недорогой электромагнит. Как подчёркивают учёные, для получения высоких значений магнитострикции марганец уменьшает размер требуемого магнитного поля.

Доцент кафедры магнетизма и магнитных наноматериалов УрФУ, старший научный сотрудник отдела магнетизма твёрдых тел Никита Кулеш добавляет, что в эрстедах измеряется напряжённость магнитного поля, которая нужна для проявления свойств материала. Исходному соединению железа и тербия для проявления магнитострикции необходимо магнитное поле более чем 20 килоэрстед. Данное соединение показывает хорошие результаты при магнитном поле, равном 18, что позволяет снизить электропотребление устройств, в основе которых будет находиться это соединение. Стоимость производства соединения может быть снижена за счёт замещения тербия на марганец. Редкоземельные металлы стоят дороже марганца.

Учёные подчеркнули, что они впервые заместили редкоземельный тербий на нередкоземельный марганец. До этого в соединении тербий замещали редкоземельный металл диспрозий, улучшающий свойства соединения, но не удешевляющий производство.

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

Создание новых материалов в УрФУ проводится при поддержке Минобрануки России по программе «Приоритет – 2030». Одним из приоритетных направлений исследования в университете является создание технологий и материалов для хиральной спинтроники, радиационных полей для детекторной фотоники и техники и сверхчувствительных высокоселективных материалов-преобразователей энергии, магнитной сенсорики, медицины и магнитомикроэлектроники, гибридных и органических материалов для диагностики и лечения социально-значимых заболеваний.

Магнитострикционные материалы находят широкое применение в приёмниках и генераторах ультразвука. Как пример, при помощи ультразвуковой обработки можно очищать нефтяные скважины, увеличивая количество и качество добываемой нефти. Кроме того, в устройствах активной виброзащиты, датчиках деформаций, сенсорах электрического тока и магнитного поля, магнитоэлектрических преобразователях энергии, актуаторах и прочих.

Магнитострикционные актуаторы представляют собой специальные короткоходные линейные приводы, в основе принципа действия которых лежит изменение линейных размеров вещества и микроструктуры под воздействием магнитного поля (магнитострикционный эффект). Линейное перемещение магнитострикционного актуатора происходит за счёт изменения формы материала, что обеспечивает колоссальную жёсткость. Магнитострикционные материалы не боятся перегрева, не деградируют со временем, а восстанавливают свойства при остывании. Им нужна высокая напряжённость магнитного поля, в связи с чем актуаторы на их основе потребляют большой ток. Большим преимуществом магнитострикционных актуаторов является высокая скорость непрерывной циклической работы.

Области применения магнитострикционных актуаторов определены их особенностями: высоким быстродействием и малой длиной хода. Их используют для линейных перемещений, например, в виброгасителях и автоматических шумоподавителях, оборудовании для нефтегазовой отрасли, системах очистки вибрационных экранов и распылителей. Аэрокосмическая отрасль и мед. оборудование являются перспективными областями применения.

Ранее ИА «Уральский меридиан» рассказывало о том, что в УРФУ осталось 337 вакантных мест для зачисления на технические специальности. В числе направлений дополнительных бюджетных мест, на которые могут претендовать подавшие документы в УрФУ абитуриенты, химия, материаловедение и технологии материалов, теплоэнергетика и теплотехника, энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, химическая технология.

Следите за новостями ИА «Уральский меридиан» на нашем ТГ-канале.

Фото превью: Лидия Аникина © ИА «Уральский меридиан»