ИСТИНА

Высокоэнергетические постоянные магниты являются ключевым компонентом в многочисленных высокотехнологических устройствах, таких, например, как электромобили и гибридные автомобили, генераторы энергии разного уровня, сервомоторы для микроробоботики и др. Редкоземельные элементы, такие как неодим и диспрозий, абсолютно необходимы для производства этого класса магнитотвердых материалов, однако в результате недавнего скачка цен на редкоземельные металлы, вызванного монопольным производством этих металлов Китаем, возникла потребность создания альтернативных постоянных магнитов, которые могут в определенной степени составить конкуренцию магнитам Nd(Dy)-Fe-B. В течение нескольких последних лет интенсивные и хорошо финансируемые по всему миру исследования по поиску замещающих материалов для производства постоянных магнитов, не содержащих редкоземельных элементов, не привели к появлению новых конкурентных постоянных магнитов. Поэтому разработка конкурентоспособных магнитов на основе 4f-3d элементов, с уменьшенным содержанием редкоземельных металлов, наряду с материалами, содержащими некритические редкоземельные элементы (такие как Ce, Sm) остается первоочередной задачей для ученых во всех развитых странах мира. Основной причиной, затрудняющей поиск новых постоянных магнитов, является, на наш взгляд, недостаточно глубокое понимание механизмов, ответственных за формирование высококоэрцитивного состояния. В литературе выделяют четыре таких механизма (1) за счет анизотропии формы, (2) за счет необратимого вращения намагниченности в однодоменных частицах, (3) задержка смещения доменных границ и (4) задержка зародышеобразования новой магнитной фазы. Если первые 2 механизма достаточно хорошо изучены и воспроизводимы в различных классах нанокристаллических магнитотвердых материалов, два последних механизма коэрцитивности, представляющих наивысший интерес при создании высокоэнергетических магнитов, являются достаточно эксклюзивными (для каждого из класса современных магнитотвердых материалов предлагается своя индивидуальная модель, которая все время уточняется). Например, для SmZrCoCuFe магнитов предполагается задержка смещения на включениях Sm(CoCu)5 или, в последнее время, стали говорить о задержке смещения доменных границ на магнитной Zr-обогащенной фазе. Для Nd-Fe-B магнитов предполагается задержка зародышеобразования на границе зерна, однако недавние исследования показали, что межзеренная фаза может быть феромагнитной, что, в принципе исключает данный общепринятый механизм из рассмотрения. Более того, существует большое количество фаз с высокой магнитной анизотропией (например, SmFe11Ti), превышающей анизотропию Nd2Fe14B, и соответственно потенциальная коэрцитивная сила должна быть больше чем у NdFeB магнитов. Тем не менее, на основе этих фаз не удалось до сих пор сделать массивные постоянные магниты, использующих механизмы задержки смещения доменных границ или задержки зародышеобразования новой магнитной фазы. Таким образом, можно прийти к заключению, что в мировой литературе отсутствует четкое понимание природы коэрцитивной силы в массивных текстурованных спеченных постоянных магнитах, так как наличие высоких значений констант магнитокристаллической анизотропии (обязательное условие) не всегда позволяет реализовать соответствующие значения коэрцитивной силы, и причины этого совершенно не изучены. С другой стороны, реализация задержки смещения доменных границ или задержки зародышеобразования новой магнитной фазы в магнитах на основе других высокоанизотропных магнитных фаз (SmFe11Ti, Sm5Fe17 и др, а также гидридов и нитридов РЗМ-3d интерметаллидов) поможет создать необходимую базу для понимания общих закономерностей формирования высококоэрцитивного состояния, что, в свою очередь, представляет не только практический, но и фундаментальный интерес в физике магнитных явлений. Наш проект основан на комплексном теоретическом и прикладном исследовании, направленном на изучение механизмов формирования высококоэрцитивного состояния в новых магнитотвердых материалах. В задачи проекта входит получение и исследование интерметаллидов с высокой одноосной магнитной анизотропией, оптимизация режимов термических и механических обработок для формирования необходимого фазового состава и структуры, максимизация характеристик магнитотвердых материалов и постоянных магнитов на их основе, исследование микро и наноструктуры полученных материалов, детальное исследование магнитных характеристик новых магнитотвердых материалов и особенностей процессов перемагничивания, а так же теоретическое исследование процессов перемагничивания, основанное на доскональном знании микроструктуры магнита и магнитных свойств структурных составляющих. В качестве объектов исследования выбраны соединения железа (кобальта) с редкоземельными металлами (РЗМ) RM12 и R5M17 (R – РЗМ - элемент, М-3d-элемент, Т – немагнитный элемент), а также азот- и водородсодержащие соединения данных стехиометрических составов, которые обладают свойствами, делающих их перспективными в качестве материалов для постоянных магнитов. Являясь превосходными модельными объектами для анализа природы фундаментальных магнитных свойств редкоземельных интерметаллидов и процессов формирования высококоэрцитивного состояния, данные классы соединении и их гидридов обладают сравнительно простой кристаллической решеткой и демонстрируют огромное разнообразие магнитных свойств, в частности, различные типы магнитного упорядочения и магнитокристаллической анизотропии (МКА) в зависимости от вида РЗМ и 3d-металла.

High-energy permanent magnets are a key component in numerous high-tech devices such as electric vehicles and hybrid cars, energy generators of different levels, servo motors for microbotics, etc. Rare earth elements such as neodymium and dysprosium are absolutely necessary for the production of this class of magnetically hard materials, however, the recent surge in prices for rare earth metals, caused by the monopoly of production of these metals China, there is a need to find alternate permanent magnets, which can to some extent compete with magnets Nd (Dy) -Fe-B Intensive and well-funded research on the search for substitute materials for the production of permanent magnets that do not contain rare-earth elements over the past few years has not led to the emergence of new competitive permanent magnets. Therefore, the development of competitive magnets based on 4f-3d elements, with a reduced content of rare earth metals, along with materials containing non-critical rare-earth elements (such as Ce, Sm) remains a top priority for scientists in all developed countries of the world. The main reason that makes it difficult to search for new permanent magnets is, in our opinion, not enough understanding of the mechanisms responsible for the formation of high-coercivity state. In the literature, four such mechanisms are distinguished (1) due to anisotropy of the shape, (2) due to the irreversible rotation of the magnetization in single-domain particles, (3) the delay in the displacement of the domain walls, and (4) the nucleation delay of the new magnetic phase. If the first two mechanisms are sufficiently well studied and reproduced in different classes of nanocrystalline magnetically hard materials, the last two mechanisms of coercivity, which are of the highest interest in the creation of high-energy magnets, are quite exclusive (for each of the class of modern hard magnetic materials, there is an individual model that is being refined) . For example, for SmZrCoCuFe magnets, it is assumed that the displacement is delayed in the Sm(CoCu)5 inclusions, or, lately, they began to speak of a delay in the displacement of domain walls on the magnetic Zr-enriched phase. For Nd-Fe-B magnets, the delay in the formation of a rock at the grain boundary is assumed, but recent studies have shown that the intergranular phase can be ferromagnetic, which, in principle, excludes this conventional mechanism from consideration. Moreover, there are a large number of phases with a high magnetic anisotropy (for example SmFe11Ti) exceeding the anisotropy of Nd2Fe14B, and accordingly the potential coercive field should be larger than that of the NdFeB magnet. However, on the basis of these phases, massive permanent magnets have not been made so far, Using mechanisms for delaying the displacement of domain walls or delaying the nucleation of a new magnetic phase Thus, it can be concluded that there is no clear understanding of the nature of the coercive field in massive textured sintered permanent magnets in the world literature, since the presence of high constants of magnetocrystalline anisotropy (an obligatory condition) does not always allow us to realize the corresponding values of the coercive field, and the causes of this have not been studied at all . On the other hand, the realization of the delay in the movement of the domain walls or the delay in the nucleation of a new magnetic phase in magnets on the basis of other highly anisotropic magnetic phases (SmFe11Ti, Sm5Fe17, etc., as well as hydrides and nitrides of REM-3d intermetallides) will help create the necessary basis for understanding the general laws governing the formation of high- state that, in turn, is not only practical, but also a fundamental interest in the physics of magnetic phenomena. Our project is based on a comprehensive theoretical and applied research aimed to study the mechanisms of formation of the high coercive state of new magnetic materials. The project aims to obtain and investigate intermetallides with high uniaxial magnetic anisotropy; to optimize thermal and mechanical treatment regimes to form the required phase composition and structure, that in turn will leads to maximum of the characteristics of hard magnetic materials and permanent magnets based on them; to study the micro and nanostructure of the materials obtained new hard magnetic materials and features of magnetization reversal processes, as well as a theoretical study of the reversal magnetization processes based on a thorough knowledge of the microstructure of the magnet and the magnetic properties of the structural components. As objects of investigation, iron (cobalt) compounds with rare-earth metals (REM) RM12, and R5M17 (R-REM element, M-3d element, T-non-magnetic element), as well as nitrogen- and hydrogen-containing compounds of these stoichiometric compositions promising as materials for permanent magnets. Being excellent model objects for analyzing the nature of the fundamental magnetic properties of rare-earth intermetallics and the processes of formation of a high coercive state, these compound classes and their hydrides have a relatively simple crystal lattice and demonstrate a huge variety of magnetic properties, in particular, various types of magnetic ordering and magnetocrystalline anisotropy (MCA) in depending on the type of REM and 3d-metal.

При выполнении проекта планируется получение следующих результатов: 1. Новые методики синтеза и режимы термических обработок для формирования высококоэрцитивного состояния в литых и композиционных материалах на основе сплавов RFe12, R5Fe17 и др., позволяющие получать наноструктурированные материалы, состоящие из когерентно связанных фаз с высокой магнитной анизотропией. Научная значимость разрабатываемых технологий состоит в использовании дополнительных «степеней свободы», таких как внешнее магнитное поле, электрический ток высокой плотности, синтез при высоком давлении и пр. для создания требуемой наноструктуры в метастабильных исходных сплавах, полученных методами быстрой закалки, механосинтеза а так же декомпозиции/рекомбинации сплава под влиянием отжига в атмосфере водорода (HDDR) или азота. 2. Высококоэрцитивные образцы литых и композиционных магнитных материалов на основе нестехиометрических сплавов с повышенной температурной стабильностью, содержащих фазы RFe12, R5Fe17 и др. Успешная реализация данной исследовательской программы позволит получить новые магнитотвердые материалы (альтернативные NdFeB и SmZrCoCuFe), позволяющие глубже понять механизмы возникновения коэрцитивной силы в редкоземельных магнетиках. Работа по получению магнитов на основе SmFe11Ti NdFe12Nx интенсивно ведётся во многих ведущих лабораториях мира, но до настоящего времени без серьезных достижений. Использование нашего подхода дает возможность опередить мировых конкурентов в создании альтернативных редкоземельных магнитов на основе SmFe11Ti и других высокоантзотропных фаз. 3. Результаты комплексного анализа экспериментальных данных, включающих измерение магнитных характеристик, анализ микро- и наноструктуры образцов, а также изучение магнитной доменной структуры при перемагничивании (уникальная методика разработанная в тверском государственном университете) позволит объяснить причину магнитного гистерезиса в новых редкоземельных постоянных магнитах и выполнить сравнительный анализ механизмов коэрцитивности и магнитного гистерезиса новых магнитотвердых материалов c магнитами на основе NdFeB и SmZrCoCuFe. 4. Создание эффективной технологии гидрирования и (или) азотирования, способной обеспечить качественный прорыв в развитии материаловедения магнитотвердых материалов. Созданный новый класс постоянных магнитов на основе RFe11TiNx может быть использован при производстве существующей и/или проектировании образцов новой техники, а также других высокотехнологических устройств электронной, радиоэлектронной, радиотехнической промышленности, приборостроения, медицины и бытовой техники. 5. Разработка методов получения магнитотвердых материалов на основе фаз, характеризующихся типом магнитокристаллической анизотропии легкая плоскость. Так при надлежащей наноструктуре в образцах на основе фазы Sm2Fe14B, имеющая константу анизотропии K = -12 MДж/m3 или фазы Nd5Fe17, имеющей константу анизотропии K = -15 MДж/m3, возможно создать магнит с теоретически-оцененным коэрцитивным полем μ0Hc > 1,5 T и плотностью энергии BHmax> 200 кДж/м3. Намагниченность обоих материалов достаточно велика, так что связанные магниты из структурированных частиц будут по-прежнему обладать хорошими магнитными свойствами.