Замещение редкоземельных металлов на марганец помогло улучшить магнитострикционный материал для космоса и Севера
Российские исследователи улучшили свойства магнитострикционного материала на основе тербия и железа. Он перспективен для использования в генераторах мощного звука и ультразвука, сенсорах магнитного поля и электрического тока, а также актуаторах — небольших приборах для микроперемещений тяжелых предметов. Материал устойчив к экстремально низким температурам (до -190 °С), а созданные на его основе устройства можно использовать даже в космосе.
Соединение тербия и железа (феррит тербия) — известный магнитострикционный материал, способный изменять свои размер и форму во внешнем магнитном поле. Это свойство активно используется в различных устройствах, в том числе в магнитострикционных актуаторах. С помощью таких приборов можно точно управлять движением 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.
Вместе с тем у соединения есть два недостатка, которые ограничивают его активное применение. Первый — это небольшой диапазон температур, при котором оно проявляет свои свойства. Ученые Уральского федерального университета (УрФУ) им. первого президента России Б.Н. Ельцина и Института физики металлов им. М.Н. Михеева Уральского отделения (УрО) РАН решили эту проблему. Они выяснили, что расширить интервал и сделать материал пригодным для применения в условиях экстремально низких температур позволит легирование марганцем.
«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 младший научный сотрудник Института физики металлов УрО РАН Александр Барташевич.
Второе ограничение связано с тем, что добиться высоких значений магнитострикции в феррите тербия возможно только в магнитном поле большем, чем может создать простейший недорогой электромагнит. Исследователи 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.
По словам авторов, они первыми заместили редкоземельный тербий на нередкоземельный марганец. Ранее тербий в соединении замещали на диспрозий, редкоземельный металл, который улучшал свойства соединения, но не удешевлял его производство.
