ИСТИНА

В проекте планируется осуществить синтез многокомпонентных соединений с участием тяжелых редкоземельных металлов, железа и кобальта др. элементов в моно- и поликристаллическом состоянии, а также последующее введение атомов легких элементов внедрения – водорода и азота (без разрушение монокристаллической структуры в случае гидридов). Это позволит получить новые материалы для комплексного исследования кристаллической структуры и магнитных свойств, выявлению важных закономерностей их изменения в зависимости от состава во всех основных классах RR'T, RR’R’’(Fe,T)2, RR’(Co,T)5, (RR’)2(Fe,T)17, (RR’)2(Fe,T)14B, RR’(Fe,T)12 (R = Gd-Lu; T = Co, Ni, Ti, Al, Si, Cr и др.) магнитных материалов, на базе которых в настоящее время создаются высокоэффективные функциональные материалы – для постоянных магнитов, магнитострикторов, магнитных рефрежираторов, для сенсоров и датчиков различного назначения. Планируется получить перечисленные выше материалы в нанокристаллическом состоянии, используя разнообразные методики, такие, как метод быстрой закалки из расплава, метод интенсивной пластической деформации, прокатки, водородного охрупчивания (нанопорошки), а также комбинированные методы, дополненный специальной термообработкой образцов для получения высоких магнитных характеристик. Планируется изучить влияние структурного состояния, а также атомов лёгких элементов внедрения и атомов замещения на намагниченность, температуру магнитного упорядочения, магнитокристаллическую анизотропию (МКА), магнитные фазовые переходы, магнитострикцию и магнитокалорический эффект указанных выше соединений. Основное внимание будет уделено исследованию перечисленных свойств в сильных магнитных полях. Магнитные моменты тяжелых редкоземельных металлов достаточно высокие 7 -10 магнетонов Бора, что значительно превосходит моменты легких РЗМ. Последние интенсивно используются на практике, благодаря параллельному упорядочению их моментов с моментами Fe и Co (например, Nd2Fe14B, SmCo5, Sm2Co17, Sm2Fe17N3 и др.). Потенциальные же возможности тяжелых РМЗ, магнитные моменты которые упорядочиваются антипараллельно моментам Fe и Co, на сегодняшний день используются крайне слабо. В связи с вышеизложенным, исследования, направленные на раскрытие всех потенциальных возможностей многокомпонентных соединений с участием тяжелых редкоземельных металлов, железа и кобальта, безусловно, являются крайне актуальными. На основе экспериментальных данных, полученных в сильных магнитных полях, будут предложены физические модели, объясняющие изменение магнитного порядка, магнитной анизотропии и температур магнитного упорядочения, при введении атомов легких элементов внедрения в кристаллическую решетку многокомпонентных соединений R-(Fe,Co) с атомами замещения, как в подрешетке РЗМ, так и в подрешетке 3d – переходного металла. Будет создана теоретическая модель, которая позволит адекватно описать полные процессы намагничивания материалов (full magnetization process), гигантскую магнитную анизотропию и другие свойства этих редкоземельных интерметаллидов. С помощью аналитического и численного подходов будут вычисленные параметры кристаллического поля, обменные параметры, построены кривые намагниченности в сверхсильных магнитных полях (недоступных в настоящее время для эксперимента). Будут сконструированы магнитные фазовые диаграммы на основании экспериментально-теоретического исследования R-(Fe,Co) интерметаллидов. Будут спрогнозированы новые составы с заранее заданными свойствами. В качестве новизны результатов проекта предполагается предложить новые многокомпонентные составы в заданном структурном состоянии, обеспечивающим повышенные магнитные и эксплуатационные характеристики изделий на их основе, для применения в промышленности, военной техники и медицине.

In the project, it is planned to synthesize multicomponent compounds containing heavy rare-earth metals, iron and cobalt of other elements in the single- and polycrystalline state, as well as the subsequent introduction of light-interstitial atoms - hydrogen and nitrogen (without destruction of the single crystal structure). It will make possible to obtain new materials for the comprehensive analysis of their crystal structure and magnetic properties and to reveal the composition impact on these properties in all the main classes of RR'T, RR'R "(Fe,T)2, RR '(Co,T)5, (RR')2(Fe,T)17, (RR')2(Fe,T)14B, RR '(Fe,T)12 (R = Gd - Lu, T = Co, Ni, Ti, Al, Si, Cr and others) of magnetic materials. All of them are the basis of high-performance functional materials - permanent magnets, magnetostrictors, magnetic refrigerators, and sensors for various purposes. It is planned to synthesize the abovementioned materials in the nanocrystalline state using a set of techniques, such as rapid quenching, intensive plastic deformation, cold rolling, hydrogenation, and methods, combining special heat treatment of the samples to obtain high magnetic characteristics. It is planned to study the effect of the structural state, as well as the introduction of the atoms of light interstitial elements and substitutional atoms on the magnetization, magnetic ordering temperature, magnetocrystalline anisotropy (MCA), magnetic phase transitions, magnetostriction and the magnetocaloric effect of the abovementioned compounds. The main attention will be paid to the investigation of the listed properties in strong magnetic fields. The magnetic moments of heavy rare-earth metals are quite high 7-10 Boron magnetons, which greatly exceeds the moments of light REM. The latter are intensively used in practice, due to the parallel ordering of their moments with the moments of Fe and Co (for example, Nd2Fe14B, SmCo5, Sm2Co17, Sm2Fe17N3, etc.). Potential capabilities of heavy REMs, which magnetic moments are ordered antiparallel to the moments of Fe and Co, are quite poorly used nowadays. Thus, our studies aimed at the disclosure of all potential opportunities for multicomponent compounds containing heavy rare earth metals, iron and cobalt are actual. On the basis of experimental data obtained in strong magnetic fields, the physical models which will explain the change in the magnetic order, magnetic anisotropy, and magnetic ordering temperatures, under introduction of the atoms of light interstitial elements into the crystal lattice of multicomponent R- (Fe, Co) compounds with substitutions, both in the REM sublattice and in the 3d-transition metal sublattice will be proposed. A theoretical model which will adequately describe the magnetization process, the giant magnetic anisotropy, and other properties of these rare-earth intermetallics will be developed. With the help of analytical and numerical approaches, the parameters of the crystal field, the exchange parameters, the magnetization curves in superstrong magnetic fields will be calculated. Magnetic phase diagrams will be constructed on the basis of an experimental-theoretical study of R-(Fe,Co) intermetallics. New compositions with certain properties will be predicted. The novelty of the project results are the new multicomponent compounds in a certain structural state that provides enhanced magnetic characteristics and performance attributes of products in industry, military equipment, and medicine.

Синтез многокомпонентных соединений RR’T, RR’R’’(Fe,T)2, RR’(Co,T)5, (RR’)2(Fe,T)17, (RR’)2(Fe,T)14B, RR’(Fe,T)12 (R = Gd-Lu; T = Co, Ni, Ti, Al, Si, Cr и др.), их гидридов и нитридов. Получение образцов в поли-, моно- и нанокристалическом состояниях. Комплексное сравнительное экспериментально-теоретическое исследование их магнитных, электрических, магнитотепловых, магнитоупругих свойств в слабых, сильных и сверхсильных магнитных полях. Анализ полного процесса намагничивания в редкоземельных интерметаллидах. Конструирование магнитные фазовые диаграммы на основании экспериментально-теоретического исследования R-(Fe,Co) интерметаллидов с атомами внедрения и замещения. Установление основных закономерностей формирования высоких магнитных свойств в моно- и наноструктурированном состоянии. Определение новых составов, обладающих мультифункциональными свойствами, а также их структурного состояния для реализации повышенных характеристик. Перечисленные выше результаты являются крайне важными, поскольку впервые в мире исследования будут проведены на новых многокомпонентных сплавах. В исходные образцы будут введены атомы легких элементов внедрения в различных концентрациях. Образцы будут получены в различных структурных состояниях: от моно- до нанокристалического. Все свойства полученных образцов будут впервые изучены в сильных магнитных полях. Известно, что потенциальные возможности интерметаллических соединений на основе железа, кобальта и тяжелых редкоземельных металлов реализованы не полностью вследствие отрицательного обменного взаимодействия между ними. Введение легких элементов внедрения, особенно азота, значительным образом снижает энергию этого взаимодействия. Под действием внешнего магнитного поля может быть реализован переход из ферримагнитного в ферромагнитное состояние, что позволит полностью раскрыть потенциал таких соединений. Как один из важнейших практических результатов работы в этом случае могут быть получены высокоэнергетические (в различных интервалах температур, включая низкие) постоянные магниты, высокоэффективные магнитокалорические материалы, датчики и сенсоры различного назначения. В экономике возможен заметный скачек, создание новых технологий, в том числе, ресурсосберегающих и улучшающих экологическую обстановку.

Коллективом физического факультета накоплен большой опыт синтеза соединений на основе R и 3d-переходных металлов в монокристаллическом состоянии. Участники проекта уже исследовали свойства таких классов редкоземельных интерметаллических соединений, как RCo13, R(Fe,Co)11Ti, R2Fe17, R2(Fe,Co)14B, RFe3, R(Fe,Co)2. Коллектив авторов, практически единственный в мире, получает и исследует гидриды в монокристаллическом состоянии. Авторами проекта исследованы физические механизмы, ответственные за воздействие атомов внедрения (водорода и азота) на обменные взаимодействия и магнитные фазовые переходы для всех перечисленных выше классов редкоземельных интерметаллидов. Показано, что только в однофазных образцах Tb2Fe17 со структурой, близкой к идеальной, в отсутствие дефектов и следов второй фазы формируется коллинеарная магнитная структура благодаря сильному Fe–Fe, а также R–Fe обменному взаимодействию. Коллектив способен проводить комплексные исследования магнитных, тепловых и магнитоупругих свойств редкоземельных интерметаллидов. Результаты исследований были опубликованы в высокорейтинговых журналах и доложены на конференциях. Результаты работ, выполненных в рамках РФФИ (тип гранта офи-м), показали перспективность проводимых разработок по получению наноструктурированных сплавов и установили основные направления улучшения свойств материалов на основе интерметаллического соединения Nd2Fe14B, включая получение магнитотвердых материалов с повышенными термостабильностью и механическими характеристиками для навигационных приборов нового поколения.