С помощью аддитивного производства, известного как 3D-печать, Радхика Баруа (на фото), доктор философии, доцент кафедры механической и ядерной инженерии Virginia Commonwealth University, создаст высокопроизводительные магниты для бытовой и промышленной электроники. Ее исследования направлены на снижение производственных затрат, минимизацию энергопотребления и ограничение воздействия на окружающую среду, поэтому ее работа может найти применение и в технологиях возобновляемых источников энергии, таких как ветряные турбины и электромобили.

Лазеры, «печатающие» нанокомпозитные сплавы

Используя концентрированное тепло лазера для расплавления металла, Баруа применяет форму аддитивного производства под названием прямое энергетическое осаждение (DED). Материал, «напечатанный» с помощью DED, может быть сформирован в сложную геометрию в расплавленном состоянии, что идеально подходит для создания точных, индивидуальных компонентов. Процессы направленного энергетического осаждения генерируют и управляют высокой тепловой энергией, которая может нагревать материалы до температур, значительно превышающих их точки плавления. В зависимости от обрабатываемого сплава температура часто превышает 1000°C. Скорость охлаждения, достигаемая с помощью DED, имеет решающее значение для формирования микроструктуры и может варьироваться от 1000 до 100 000 градусов Цельсия в секунду в зависимости от стратегии сканирования (схема и последовательность, в которой печатается металлический сплав), настроек мощности и свойств материала.

Обычная 3D-печать заботится о создании уникальных геометрических форм, — говорит Баруа.

Но цель этого исследования не всегда связана с общей формой материала. Характеристики магнита в значительной степени зависят от того, что происходит на микроскопическом уровне, в частности, от двух ключевых особенностей: границ зерен и магнитных доменов. Это особенно важно для таких передовых материалов, как нанокомпозитные постоянные магниты.

Нанокомпозитные магниты состоят из наноразмерных зерен, каждое из которых имеет размер всего в несколько миллиардных долей метра и проявляет различные магнитные свойства. Границы раздела между этими зернами, называемые границами зерен, играют ключевую роль в определении общей силы и эффективности магнита. Правильно выровненные границы зерен способствуют плавному течению магнитных сил и минимизируют потери энергии. Напротив, плохо расположенные границы препятствуют магнитному выравниванию, что значительно снижает эффективность магнита.

Магнитные характеристики каждого зерна определяются его магнитным доменом — скоплением атомов с магнитными полями, выровненными в одном направлении. Эти домены можно представить себе как миниатюрные магниты, работающие в унисон. Чем более равномерно выровнены домены в зернах, тем сильнее и сплоченнее становится магнит в целом. Однако добиться такого выравнивания в нанокомпозитных магнитах невероятно сложно, поскольку в их состав входит множество различных материалов. Из-за сложности материала выравнивание магнитных доменов равномерно по всем зернам становится затруднительным.

В исследованиях Баруа с помощью DED тщательно контролируется формирование зерен и взаимодействие их границ. Печатая нанокомпозитные магниты слой за слоем, ее команда стремится оптимизировать микроструктуру и обеспечить выравнивание магнитных доменов для достижения максимальной эффективности.

Нанокомпозитные альтернативы редкоземельным магнитам

Редкоземельные магниты, которые Баруа надеется заменить, обладают исключительной магнитной силой и стабильностью. Их кристаллические структуры обладают магнитокристаллической анизотропией — свойством ферромагнитного материала, при котором для намагничивания в одном направлении требуется больше энергии, чем в другом. Это свойство обеспечивает способность редкоземельных магнитов оставаться магнитными после процесса намагничивания.

Не обладая магнитокристаллической анизотропией, нанокомпозитные магниты без редкоземельных элементов используют свою тонкую микроструктуру для усиления магнитных свойств. Это достигается на наноуровне с помощью DED для объединения различных переходных 3d-элементов ( «d» здесь означает форму d-орбиталей в электронной конфигурации атома) из периодической таблицы, таких как железо, медь и марганец.

Расплавленный материал быстро остывает после печати в DED. Быстро затвердевающие сплавы демонстрируют уникальные структурные свойства, которые приводят к тонкой микроструктуре, в результате чего размер зерен уменьшается, а фазы распределяются более равномерно. В данном случае фаза — это название химически однородных и физически различных областей материала, таких как различные элементы, из которых состоит сплав.

Эти особенности могут улучшить физические свойства, например, повысить прочность и вязкость. Кроме того, быстрое охлаждение предотвращает образование равновесных фаз, которые ограничивают характеристики магнитных материалов. Неравновесные структуры, образующиеся при быстром охлаждении, как правило, обладают более сильной магнитной анизотропией и мелкозернистой структурой.

Существуют и другие формы анизотропии, которые мы можем использовать для замены магнитокристаллической анизотропии, характерной для редкоземельных магнитов, — говорит Баруа.

В этом исследовании мы сосредоточились на анизотропии формы, анизотропии обменного смещения и пиннинге доменных стенок.

Анизотропия формы

Магнитные материалы могут склоняться к определенной ориентации в зависимости от формы. Если частицы расположены в виде игл, магнитные силы внутри иглы будут стремиться выровняться вдоль самой длинной оси. Это и есть анизотропия формы.

Анизотропия обменного смещения

Когда композит из 3d-переходных элементов включает ферромагнитную и антиферромагнитную фазы, исследователи могут использовать анизотропию обменного смещения. При наслоении легко намагничивающегося ферромагнитного материала на антиферромагнитный материал, полученный композит становится легче намагничиваться в определенном направлении, создавая смещение в этом направлении на межфазной границе между двумя слоями. В результате получается постоянный магнит, который может накапливать и отдавать больше энергии, оставаясь намагниченным при высоких температурах.

Стягивание доменных стенок

Подобно тому как границы зерен представляют собой физическое пространство, в котором встречаются два зерна, доменная стенка является границей между двумя магнитными доменами. Когда доменные стенки могут свободно перемещаться, сдвиг магнитных моментов доменов может привести к потере магнитных свойств, особенно под воздействием внешних магнитных полей или изменения температуры.

Закрепление доменных стенок препятствует движению доменных стенок и достигается путем введения структурных дефектов или примесей в материал. Эти дефекты действуют как препятствия, захватывая доменные стенки и не позволяя им легко перемещаться. Это сопротивление создает ситуацию, в которой материал может намагничиваться более эффективно и дольше удерживать магнетизм. Этот процесс называется пиннингом доменных стенок.

Настройка микроструктуры с помощью компьютерного моделирования

Химически однородный и физически отличный материал в нанокомпозитном сплаве, влияющий на его магнитные свойства, называется первичной фазой матрицы. Частицы вторичной фазы в том же материале представляют собой дополнительные материалы, которые изменяют поведение первичной фазы.

Достижение оптимального размера, формы и распределения частиц вторичной фазы имеет решающее значение для улучшения магнитных свойств. С этой целью Баруа сотрудничает с Джаясимхой Атуласимхой, доктором философии, профессором инженерного фонда на факультете механического и ядерного машиностроения, для проведения микромагнитного моделирования. Эти симуляции моделируют и предсказывают влияние различных характеристик частиц на общее поведение магнита, облегчая разработку передовых нанокомпозитных магнитов с улучшенными характеристиками.

Частицы вторичной фазы должны быть правильными, — говорит Баруа.

Если они слишком малы, то теряется обменная анизотропия, и частицы начинают взаимодействовать друг с другом. Поэтому существует зависимость, при которой они должны быть удалены друг от друга относительно своего размера, чтобы предотвратить это». Доктор Атуласимха моделирует для нас эти условия и дает примерный размер и распределение. Мы используем его моделирование как руководство для создания материала и делимся с ним результатами, корректируя его моделирование перед изготовлением следующей партии материала.

Все вместе

Центр передового производства Содружества (CCAM) является ключевым местом для исследований Баруа в области аддитивного производства. Принтеры, используемые в процессе DED, находятся в CCAM, а консорциум академических и промышленных специалистов, которые сотрудничают там, создает уникальную среду обучения. Такие исследователи, как Баруа, могут финансировать аспирантов через CCAM и предоставлять им необходимые возможности практического и экспериментального обучения. Это уникальная модель развития рабочей силы, где промышленность помогает исследованиям, а студенты получают навыки, позволяющие им внести значительный вклад в работу компаний, которые сразу же принимают их на работу. Центр передового производства Содружества — это хорошая возможность для студентов понять, как работает промышленность и каковы ее потребности.

В CCAM команда Баруа внесла значительные усовершенствования в машину DED, например, интегрировала массив постоянных магнитов Хальбаха под базовый слой печати, чтобы повысить общую эффективность производства. Использование магнитного поля под базовым печатным слоем позволяет устранить недостаток, присущий системам DED с порошковым напылением. Во время печати металлический порошок распыляется в лазере, где он нагревается и плавится. Поскольку это распыление, не весь порошок попадает туда, куда нужно. Измерение того, сколько порошка попадает в нужную область, называется эффективностью захвата. С помощью магнитных полей решетки Хальбаха потоки металлического порошка, реагирующие на магнетизм, могут быть сфокусированы для повышения эффективности захвата. Это уменьшает отходы материала и позволяет системе DED быть более точной, потребляя меньше энергии.

Вы можете контролировать, насколько крупными или мелкими получаются зерна, регулируя скорость печати, массу, с которой материал вытекает из бункера, и мощность лазера, — говорит Баруа.

Помимо магнитного поля, машина DED, которую мы используем в CCAM, оснащена множеством датчиков и прицелов. Здесь есть оптическая камера, тепловая камера, измеритель расстояния, инфракрасная камера и многое другое. Это означает, что вы можете видеть, как происходит расплав и как он застывает в режиме реального времени. Это помогает в процессе проверки эксперимента в режиме реального времени.

Получив степень бакалавра в области химического машиностроения, Баруа приехала в США из Индии, чтобы сделать карьеру в области химического машиностроения. Во время защиты докторской диссертации она переключилась на материаловедение, работая со своим консультантом в исследовательской группе по наномагнетизму в Северо-Восточном университете в Бостоне.

Моя докторская диссертация финансировалась программой фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики США. Большая часть моих исследований направлена на фундаментальные исследования, направленные на понимание, предсказание и контроль материи и энергии на электронном, атомном и молекулярном уровнях, — говорит Баруа.

Когда я приехал в VCU, то потому, что Инженерный колледж располагал самым современным оборудованием, необходимым для моих исследований. Например, в Центре определения характеристик наноматериалов (NCC) есть набор инструментов для сканирующей электронной микроскопии. Наличие таких ресурсов — большая помощь исследователям и студентам, желающим освоить передовые методы, которые могут продвинуть их карьеру.

Ранее ученые заявили, что магниты облегчают симптоматику Альцгеймера.