Новый метод изготовления высокоэффективных магнитов может свести к минимуму нашу зависимость от редкоземельных элементов. 81% редкоземельных элементов был получен из Китая.

Группа исследователей из Кембриджского университета совместно с коллегами из Австрии обнаружила потенциальную замену нынешнему методу изготовления высокоэффективных магнитов без использования редкоземельных элементов.

Эти высокоэффективные магниты, используемые в ветряных турбинах и электромобилях, жизненно важны для построения экономики с нулевым выбросом углерода. В настоящее время для получения лучших доступных постоянных магнитов требуются редкоземельные элементы.

Даже если название «редкоземельные элементы» звучит многообещающе, эти элементы не так редки, как может показаться. Однако на сегодняшний день Китай обладает почти монополией на мировое производство, говорится в пресс-релизе, опубликованном Кембриджским университетом. Например, в 2017 году 81 процент редкоземельных элементов во всем мире был получен из Китая. А поскольку геополитическая напряженность в отношениях с Китаем растет, есть опасения, что поставки редкоземельных элементов могут оказаться под угрозой.

Редкоземельные элементы в изобилии встречаются во всем мире, но их просто нелегко извлечь. Кроме того, требуемые методы добычи полезных ископаемых не очень экологичны.

Существует острая потребность в альтернативных материалах, не требующих редкоземельных элементов, и именно здесь вступают в игру исследования команды.

«Тетратаенит» и как его получают

Минерал тетратаенит является редкоземельным элементом, о котором здесь идет речь. Это ‘космический магнит», или железо-никелевый сплав с особой упорядоченной атомной структурой, которому требуются миллионы лет, чтобы естественным образом развиться в метеоритах. Это то, что требуется для изготовления высокоэффективных магнитов.

Предыдущие попытки создать искусственный тетратаенит в лабораторных условиях требовали экстремальных и непрактичных методов.

Команда из Кембриджа обнаружила, что, добавив обычный элемент – фосфор, тетратаенит можно получить в больших масштабах и искусственно, без каких–либо экстремальных или дорогостоящих методов. Команда изучала механические свойства железоникелевых сплавов, содержащих небольшое количество фосфора, элемента, который также содержится в метеоритах. Структура фаз внутри этих материалов показала ожидаемую структуру роста, называемую дендритами.

«Когда я присмотрелся повнимательнее, я увидел интересную дифракционную картину, указывающую на упорядоченную атомную структуру”, — сказал первый автор доктор Юрий Иванов, который завершил работу в Кембридже и сейчас работает в Итальянском технологическом институте в Генуе.

Первоначально дифракционная картина тетратаенита выглядела так, как структура, ожидаемая для железоникелевых сплавов. Но при ближайшем рассмотрении доктор Иванов определил тетратаенит. Смешивая железо, никель и фосфор в нужных количествах, команда смогла ускорить образование тетратаенита на 11-15 порядков. Он сформировался за считанные секунды при простом литье.

“Что было самым удивительным, так это то, что никакой специальной обработки не требовалось: мы просто расплавили сплав, залили его в форму, и у нас получился тетратаенит”, — сказал профессор Линдси Грир из Кембриджского факультета материаловедения и металлургии, который руководил исследованием. “Предыдущая точка зрения в этой области заключалась в том, что вы не сможете получить тетратаенит, если не предпримете что-то экстремальное, потому что в противном случае вам пришлось бы ждать миллионы лет, пока он образуется. Этот результат представляет собой полное изменение в том, как мы думаем об этом материале ”.

Необходимо провести дополнительную работу, чтобы определить, будет ли этот метод пригоден для высокоэффективных магнитов в больших масштабах. Команда надеется поработать над этим с крупными производителями магнитов.

Выводы команды были опубликованы в журнале Advanced Science. https://interestingengineering.com/science/new-method-high-performance-magnets?utm_source=newsletter&utm_medium=mailing&utm_campaign=Newsletter-31-10-2022