Магнитная “продукция” сегодня прочно вошла в наш быт. Казалось бы, какие с ней могут быть сложности? А они существуют и касаются каждого из нас. Приобретая очередную “пришлепку” к холодильнику, мы вряд ли догадываемся, какая непростая ситуация сложилась в нашей стране с производством постоянных магнитов. Для создания многих видов высокопроизводительной техники и прорывных технологий нужны сильные магнитные материалы с особыми свойствами. Но их можно изготовить лишь из дорогостоящего импортного сырья. А это уже проблема не только с экономическим, но и с политическим оттенком. В числе российских ученых, работающих над ее решением, декан физического факультета Челябинского государственного университета доктор физико-математических наук Сергей ТАСКАЕВ. Его исследования поддержаны грантом Президента РФ.
— Постоянные магниты — продукция стратегическая, — говорит Сергей Валерьевич. — У них широчайшая область применения: начиная от микроэлектромеханических и наноэлектромеханических систем и заканчивая высокомощными генераторами электроэнергии с использованием многих тонн магнитных материалов, содержащих редкоземельные элементы. Эти элементы — основной фактор, сдерживающий или удорожающий производство продукции. И альтернативы постоянным магнитам на основе таких редкоземельных сплавов, как самарий-кобальт или неодим-железо-бор, пока нет.
Есть еще одно относительно новое направление технических приложений — гибридные автомобили, ветряные генераторы, они “потребляют” большое количество редкоземельных магнитов (до 4 тонн в мегаваттных “ветряках”). А из-за температурного интервала работы 100-200 градусов для стабилизации магнитных свойств кроме неодима при их изготовлении приходится использовать диспрозий или тербий, что дополнительно увеличивает цену изделия.
Практически абсолютный монополист на рынке сырья для подобной продукции — Китай. Грамотная экономическая политика позволила этой стране взять под свой контроль месторождения редкоземельных элементов по всему миру или добиться закрытия существующих.
Рынок редкоземельных магнитов начинает свою историю в конце 1960-х,
когда в американской Air Force Materials Laboratory были обнаружены особые свойства самарий-кобальтовых интерметаллических сплавов. Коммерческое производство постоянных магнитов на их основе началось в 1970 году и вызвало революционные преобразования во многих отраслях промышленности. Появилась возможность делать устройства более мощными и миниатюрными.
Рост мировых цен на кобальт стимулировал научные исследования по разработке новых магнитных материалов, в результате был получен магнитный сплав “неодим-железо-бор”. Магниты на его основе разработали в 1983 году, вскоре началось промышленное производство. Они имеют меньшую стоимость, обладают вдвое большей магнитной силой, чем самарий-кобальтовые сплавы, а также высокоустойчивы к размагничиванию. Но у этих сплавов меньший температурный диапазон работы. После открытия постоянных магнитов на основе неодима существенного прорыва не наблюдалось.
Благодаря миниатюризации и широкому применению в электронном оборудовании спрос на неодимовые магниты продолжал расти, например, в 2005 году объем рынка достиг 3,7 миллиарда долларов. Сегодня магниты на основе сплава “неодим-железо-бор” имеют рекордные значения по “энергетическому произведению” двух важнейших характеристик — индукции и коэрцитивной силы (“насколько трудно размагнитить постоянный магнит”). На этот вид пришлась наибольшая доля мирового рынка магнитотвердых материалов.
Ускоряющийся спрос на высокоэнергетичные постоянные магниты привел в последние пять лет к кризису на рынке редкоземельных элементов. Цена за килограмм неодима в 2006 году была 8 долларов, в 2010-м — 56, в 2011-м — 450. А в сентябре 2012 года снизилась до 125 долларов, но одновременно с этим были введены ограничения на экспорт из КНР, что нисколько не сняло напряженность в отраслях, использующих постоянные магниты или редкоземельные элементы. Цены на диспрозий и тербий в 11 раз выше, чем на неодим. К сожалению, альтернативы Китаю в поставке редкоземельных элементов сегодня нет.
Поэтому задача получения постоянных магнитов, имеющих сопоставимые с существующими характеристики, но свободных от редкоземельных элементов, исключительно важна для промышленной и государственной безопасности. Для их создания нужно провести комплекс фундаментальных и прикладных исследований.
Идея замещения критических элементов общая для многих подобных тем, в том числе при разработке новых неорганических материалов для полупроводников, катализаторов, батарей, магнитов, специальных сплавов, остро необходимых современным отраслям промышленности. Создаваемая продукция требует непрерывного обеспечения минералами. Когда какая-то технология приводит к выпуску тысяч и сотен тысяч единиц продукции, исходное сырье становится стратегическим товаром. В конечном счете, успех массовой технологии напрямую зависит от надежной и предсказуемой поставки исходных материалов.
Некоторые технологии, в основе которых не лежат дешевые или доступные материалы (например, железо), вынуждены быть зависимыми от поставщика. Проблемы могут быть связаны с множеством причин, включая редкое содержание сырья в земной коре и локализацию месторождений (как в случае с редкоземельными элементами), большие затраты на добычу и обогащение, политико-экономическую нестабильность на территории страны-производителя.
Недавно Еврокомиссия разработала и утвердила список критических элементов, для которых существует большой риск поставок в короткой или длительной перспективе. Этот список актуален и для России, поэтому разработка подходов, методов и технологий замещения этих элементов исключительно важна для сохранения темпов развития отечественной технологической базы.
Существует достаточно большой разрыв между высокоэнергетичными системами на основе сплава неодим-железо-бор или самарий-кобальт и низкоэнергетичными системами на основе керамики или сплавов альнико. Именно эта область стала основой наших исследований.
Цель проекта — интеграция достижений теоретических и экспериментальных исследований для получения современных функциональных материалов, в частности новых типов постоянных магнитов, не использующих критические (в том числе редкоземельные элементы) материалы. Это позволит снизить последствия монопольного доминирования в этой области.
— Как можно создать магниты без критических элементов?
— Стратегия проекта основывается на двух принципах. Во-первых, замена критических элементов на атомарном или наноструктурном уровне некритическими элементами, выполняющими те же функции. Во-вторых, разработка новых металлических фаз с заданными свойствами и не содержащих критических элементов. Например, известный сплав железо-никель с кубической кристаллической решеткой является прекрасным материалом для производства трансформаторов, он очень легко перемагничивается. Но если его кристаллическая решетка не кубическая, а тетрагональная, то этот же сплав — идеальный постоянный магнит, сравнимый с лучшими редкоземельными магнитами. Получается, один и тот же по составу сплав может показывать диаметрально противоположные свойства. Такая металлическая фаза (называемая тетратэнитом) есть в метеоритах, например в том, что упал под Челябинском. Однако ее синтез в земных условиях очень сложен.
Теоретическая часть разработки включает исследования в области конструирования с помощью так называемых первопринципных методов теории функционала плотности, микромагнитного моделирования свойств микро- и наноматериалов. По результатам расчетов формируется часть экспериментального плана исследований, включающая синтезирование соединений, измерение основных структурных и магнитных параметров, микроструктурную оптимизацию коэрцитивной силы. Для характеристики свойств новых магнитных анизотропных материалов нужно активно использовать синхротронное излучение, нейтронографию, ионную и электронную микроскопию. Создание технологий и продукции без использования критических элементов сегодня важнейший тренд, определяющий направления поисковых НИОКР в развитых странах.
— Расскажите о вашем вкладе в решение проблемы.
— Работы по исследованию и получению безредкоземельных постоянных магнитов входят в hot topic научных направлений физики магнитных явлений во всем мире. Причину я уже объяснил. Исследования по гранту мы ведем в тесном сотрудничестве с известными российскими научными школами из МГУ им. М.В.Ломоносова, Национального исследовательского технологического университета МИСиС, Тверского государственного университета, Национального исследовательского Южно-Уральского государственного университета. Формально они не числятся соисполнителями гранта, однако выполняют часть общей большой работы. Из зарубежных учреждений можно назвать группу под руководством профессора Оливера Гутфляйша из Технического университета Дармштадта.
Мы изучаем влияние интенсивных пластических деформаций на магнитные свойства перспективных сплавов для создания безредкоземельных постоянных магнитов. В планах также исследование влияния облучения интенсивными потоками частиц на формирование L10 сверхструктуры таких сплавов. Эта структура имеется в тетратэните, она приводит к формированию в материале высокоанизотропных магнитных свойств, что необходимо для создания постоянных магнитов.
Наш проект направлен на разработку и комплексное (экспериментальное и теоретическое) исследование новых магнитожестких материалов с высокими энергетическими показателями. Существующие наработки позволяют говорить о достижимости результата, однако создать готовый продукт для производства — принципиально другая задача. Все хорошо объясняет классическая формула инновационного цикла, где НИР стоит (условно) — 1, ОКР — 10, а постановка производства — 100 рублей.
Василий ЯНЧИЛИН
Фотоснимки предоставлены С.Тоскаевым
Нет комментариев