Коллектив физиков Уральского федерального университета (УрФУ) и Института физики металлов УрО РАН создал технологию 3D-печати постоянных магнитов из редкоземельных элементов. Такие магниты востребованы в высокотехнологичных устройствах — современных электрокарах, электрогенераторах, авиации, космической сфере и могут служить на протяжении десятилетий или столетий. Работа по созданию отечественной технологии велась на протяжении нескольких лет по заказу частного учреждения «Наука и инновации» (входит в «Росатом») в рамках Единого отраслевого тематического плана.
Образцы магнитов, напечатанных на 3D-принтере в УрФУ. Источник фото: пресс-служба УрФУ / Александр Трифонов
«Госкорпорация “Росатом” развивает неядерное направление и выстраивает полную технологическую цепочку от добычи сырья до получения готовой продукции — к примеру, электромобилей, работа которых невозможна без высокоэнергетических магнитов. У нас есть компетенции во всех ключевых звеньях редкоземельной промышленности: в добыче сырья (горнорудный дивизион); разработке и внедрении новых технологий получения редкоземельных металлов и продуктов из них (научный дивизион), производстве (топливный дивизион). При этом мы, безусловно, заинтересованы в сотрудничестве с другими организациями для создания и развития отечественных технологий, которые помогут не только укрепить технологический суверенитет нашей страны, но и будут востребованы в самых разных высокотехнологических сферах и на мировом рынке», — поясняет первый заместитель директора частного учреждения «Наука и инновации» («Росатом») Алексей Дуб.
Новый способ, разработанный уральскими учеными, позволяет печатать постоянные магниты с улучшенными свойствами двух видов: на основе неодима и железа (неодимовые магниты) с добавлением празеодима, тербия и диспрозия (работают при температурах до 200 градусов Цельсия) и самария-кобальта (работают при температурах до 550 градусов Цельсия). Технология аддитивного производства, разработанная учеными, позволяет сразу создавать изделия сложной формы и магнитные системы. 3D-печать также помогает снизить потери КПД за счет снижения вихревых токов в процессе эксплуатации.
«Постоянные магниты с редкоземельными металлами, в особенности из самарий-кобальта, востребованы в авиастроении, космической сфере, то есть там, где все должно работать надежно, без сбоев. Кроме того, в современных электрокарах, например, в последних Tesla или китайских электромобилях, также стали использовать постоянные магниты. Это позволило уменьшить размер двигателей, их вес, увеличить износостойкость и КПД на 10–15%. Наши магниты не уступают мировым аналогам, а по некоторым характеристикам и превосходят их», — пояснил руководитель исследовательского коллектива, заведующий кафедрой магнетизма и магнитных наноматериалов УрФУ Алексей Волегов.
На сегодня ученым удалось получить постоянные магниты размером 10х10x3 мм — это средние магниты (при необходимости их размер можно увеличить или уменьшить). Для сравнения, в смартфонах (динамики, микрофоны, устройства для вибрации) используют магниты размером преимущественно 1х1x1 мм, а в роторах двигателей электромобилей устанавливают постоянные магниты в 50х50x20 мм.
Технология аддитивного производства, разработанная уральскими учеными, позволяет сразу создавать изделия сложной формы и магнитные системы.
«Наши магниты не уступают мировым аналогам, а по некоторым характеристикам и превосходят их. Так, у магнитов из самарий-кобальта мы получили лучшие известные на сегодня в мире свойства. Наши магниты не существенно, на 3–5%, но лучше аналогов немецкой группы под руководством Dagmar Goll. По магнитам из неодима результаты также на уровне мировых», — заключает Алексей Волегов.
Справка
В настоящее время в России активно реализуются мероприятия по обеспечению сырьевой и технологической независимости в части редких и редкоземельных материалов (РМ и РЗМ). Редкоземельные элементы используют в самых разных сферах — от металлургии до микроэлектроники. Высокая доля потребления приходится на создание мощных магнитов, которые используют в электронике, динамиках, жестких дисках, электродвигателях, ветрогенераторах, дронах, роботах и многом другом.
В июле 2024 года Правительство РФ утвердило Стратегию развития минерально-сырьевой базы до 2050 года, с начала 2025 года формируется Федеральная научно-техническая программа (ФНТП), направленная на обеспечение комплексного сопровождения геологоразведочных работ, добычу и промышленную переработку твердых полезных ископаемых, а также ускоренное замещение импортных технологий и оборудования российскими аналогами. Президент РФ Владимир Путин на Форуме будущих технологий отметил необходимость выстраивания полного цикла получения РМ и РЗМ: от поиска и разработки новых месторождений до выпуска высокотехнологичной продукции с высокой добавленной стоимостью.
Постоянные магниты — изделия из магнитотвердых материалов, которые могут создавать вокруг себя магнитное поле продолжительное время, не расходуя при этом энергию. Редкоземельные постоянные магниты по своей энергоемкости в 5–6 раз превосходят лучшие безредкоземельные магниты. Для производства постоянных магнитов используются преимущественно пять редкоземельных металлов: неодим, празеодим, самарий, тербий, диспрозий. В настоящий момент горнорудный дивизион Госкорпорации «Росатом» приступил к проектированию разделительного производства на своем предприятии ОАО «Соликамский магниевый завод», где из группового концентрата будут выделяться индивидуальные РЗМ магнитной группы, в том числе неодим и празеодим. Таким образом, «Росатом» полностью будет обеспечивать собственный цикл производства постоянных магнитов и высокотехнологичной продукции из них.
Информация и фото предоставлены пресс-службой Уральского федерального университета
