Специалисты в области энергетики из Томского политехнического университета в сотрудничестве с китайскими учеными разработали инновационный двухэтапный метод получения высокомагнитной керамики на основе материала, имеющего структуру полых сфер. Разработанная политехниками технология позволяет регулировать характеристики конечных продуктов и сокращать потребление энергии в процессе их изготовления.
Финансирование исследования осуществлено грантом Российского научного фонда (№ 24-79-10113). Результаты исследования были опубликованы в журнале Materials Characterization (Q1, IF: 5,5).
Полые микросферы, содержащие магнитные материалы, нашли широкое применение в различных областях, таких как технологии поглощения электромагнитного излучения, энергетика, спинтроника и магнитно-резонансная томография. Это обусловлено их уникальными свойствами: высокой удельной площадью поверхности, низкой плотностью и возможностью инкапсуляции различных веществ. Разработано несколько способов изготовления этих материалов, однако многие из них либо отличаются сложностью производства, либо приводят к ухудшению ферромагнитных характеристик готового продукта.
Специалисты Томского политехнического университета в сотрудничестве с китайскими учеными разработали инновационный метод производства высокомагнитных порошков на основе магнетита (Fe3O4) в виде полых сфер. Эти сферы могут послужить основой для создания объемных керамических изделий.
«Разработанный нами метод изготовления высокомагнитных материалов предполагает двухэтапный процесс. На первом этапе формируются микроразмерные полые частицы магнетита с использованием плазмодинамического синтеза. Образование микроразмерных полых частиц обусловлено особыми условиями взаимодействия плазмы и газовой среды. Затем синтезированный порошок подвергается спеканию при заданных температуре и давлении, что позволяет получить твердые керамические образцы. Благодаря особенностям структуры полученных порошков, высокие магнитные характеристики сохраняются в готовых керамических образцах, — подчеркивает один из авторов исследования, доцент отделения электроэнергетики и электротехники ТПУ Иван Шаненков.
Студенты политехнического института провели испытания технологии получения магнетита в различных газовых средах, состоящих из аргона, азота и гелия, смешанных с кислородом. Полученные данные свидетельствуют о влиянии выбора инертного газа на фазовый состав, размер и структуру образующихся частиц. Регулируемое уменьшение концентрации кислорода в газовой смеси в пределах изученной области приводит к увеличению содержания магнетита и снижению количества примесей, а также к формированию полостей в сферах диаметром до нескольких десятков микрометров.
«Мы также изучали способы увеличения намагниченности насыщения готовых материалов, в том числе путем добавления кобальта в реакционную смесь. В результате был получен продукт (феррит кобальта), который как в виде порошка, так и в форме керамики, показал исключительно высокую намагниченность насыщения (до 101 А∙м 2/при этом нам удалось сохранить объемную плотность изделий, что положительно сказалось на их магнитных характеристиках. Относительная плотность готовых материалов не ниже 92 %», – отмечает исследователь.
Изготовление керамических изделий из магнитных микросфер осуществлялось методом искрового плазменного спекания в диапазоне температур от 600 до 1100 °C и продолжительностью 600 секунд. В процессе производства специалисты-политехники определили наилучшие настройки электрофизического оборудования, чтобы сохранить магнитные характеристики конечных продуктов.
Ученые утверждают, что разработанный метод обеспечит возможность создания сложных керамических материалов с высокой степенью магнетизма, обладающих улучшенными характеристиками, и уменьшит потребление энергии в процессе их изготовления.
В работе над исследованием были задействованы специалисты из отделения электроэнергетики и электротехники Инженерной школы энергетики Томского политехнического университета, а также ученые из Чанчуньского и Цзилиньского университетов, расположенных в Китае).
Пресс-служба Томского политехнического университета предоставила информацию и фотографии