Исследователи Томского политехнического университета в кооперации с китайскими партнерами разработали инновационную двухэтапную технологию производства высокомагнитной керамики из полых сферических частиц. Этот метод дает возможность регулировать характеристики конечных продуктов и сократить энергопотребление в процессе их изготовления. Об этом CNews проинформировали в пресс-службе ТПУ.
Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда (№24-79-10113). Научные итоги обнародованы в издании Materials Characterization (Q1, импакт-фактор: 5,5).
Магнитные материалы на основе полых микросфер, обладающие значительной удельной поверхностью, малой плотностью и способностью удерживать различные вещества, находят широкое применение в сферах поглощения электромагнитных волн, энергетике, спинтронике и МРТ-диагностике. Существующие способы их получения либо технологически сложны, либо приводят к ухудшению ферромагнитных качеств изделия.
Специалисты Томского политеха и их китайские коллеги предложили новый подход к созданию высокомагнитных порошков на базе магнетита Fe3O4, имеющих форму полых сфер, которые в дальнейшем служат основой для монолитных керамических объектов.
«Наша методика базируется на двухстадийном процессе. Первоначально в ходе плазмодинамического синтеза генерируются микроскопические полые частицы магнетита. Их формирование в полой конфигурации обусловлено особыми условиями взаимодействия плазмы с газовой средой. На втором этапе синтезированный порошок подвергается спеканию при заданных температуре и давлении для получения твердой керамики. Благодаря уникальному строению частиц порошка нам удается сохранить выдающиеся магнитные свойства в готовых объемных образцах», — пояснил соавтор исследования, доцент отделения электроэнергетики и электротехники ТПУ Иван Шаненков.
Ученые апробировали методику синтеза магнетита в различных газовых смесях — комбинациях аргона, азота и гелия с кислородом. Эксперименты выявили влияние типа инертного газа на фазовый состав, размер и морфологию частиц. Целенаправленное уменьшение доли кислорода в исследуемом диапазоне способствует увеличению содержания магнетита, сокращению примесей и образованию полых сфер размером в десятки микрометров.
«Мы также изыскивали возможности для повышения намагниченности насыщения итоговых материалов, в частности, путем введения кобальта в реакционную систему. Полученный продукт — феррит кобальта — как в порошкообразном состоянии, так и в виде спеченной керамики показал исключительно высокую намагниченность насыщения (до 101 А∙м2/кг). Важно отметить, что нам удалось предотвратить значительное падение плотности объемных изделий, а следовательно, и их магнитных параметров. Относительная плотность конечных материалов достигает как минимум 92%», — дополнил исследователь.
Производство керамики на основе магнитных микросфер осуществлялось методом искрового плазменного спекания в диапазоне температур 600–1100 °C с выдержкой в 600 секунд. Специалистам удалось определить наилучшие параметры настройки электрофизического оборудования, что обеспечило сохранение магнитных характеристик конечных продуктов.
Как отмечают исследователи, разработанный подход открывает возможность создания сложнокомпонентных керамических материалов с высокой магнитной активностью, улучшенными магнитными показателями, а также способствует уменьшению энергопотребления в процессе их изготовления.
В работе участвовали научные сотрудники подразделения электроэнергетики и электротехники Инженерной школы энергетики Томского политехнического университета, а также Чанчуньского и Цзилиньского университетов (Китай).
