Ученые НИТУ «МИСиС» в ходе исследований сплавов системы железо-галлий выявили новые закономерности, позволяющие контролировать структуру этих материалов и, как следствие, эффективнее управлять их свойствами. С практической точки зрения это расширяет возможности их дальнейшего применения в высокоточных датчиках давления и гидролокаторах.

На сегодняшний день большое количество различных датчиков (к примеру, датчики давления и вибрации, а также гидролокаторы) работает на так называемом магнитоупругом эффекте – изменении намагниченности металлического изделия под воздействием приложенной механической силы в упругой области нагружения. Например, когда требуется отследить локацию субмарины, сквозь толщу воды отправляется ультразвуковой сигнал и, отражаясь от поверхности судна, он возвращается обратно в чуть измененном виде. Благодаря колебаниям его размеров, датчик фиксирует эти изменения, таким образом, удается определить локацию судна.

В лабораторных условиях для оценки функциональных характеристик материалов для сенсоров измеряется эффект обратный магнитоупругому – магнитострикционный (изменение размеров образца под воздействием приложенного магнитного поля). Чем большей магнитострикцией обладает материал, тем больше возможностей имеет изделие из него. Среди «рекордсменов» – сплавы железа с галлием (Fe-Ga или галфенолы). В последних изменение размеров образца достигает 0,04 процента, в то время как в чистом железе этот показатель порядка 0,0015 процентов.

Научные коллективы из США показали, что наилучшие функциональные свойства проявляют сплавы с неравновесной и неоднородной структурой, в которой «соседствует» сразу несколько фаз с очень близкими параметрами решетки. Это открывает новые перспективы для их применения в области высокоточной сенсорики, однако оставался вопрос: как создать и стабилизировать эту неравновесную наногетерогенную структуру при климатических температурах, чтобы она сохранялась при комнатной температуре?

Команда ученых кафедры металловедения цветных металлов НИТУ «МИСиС» совместно со специалистами из Объединенного института ядерных исследований (Дубна) выявила и открыла ряд соотношений между температурой обработки галфенолов и их кристаллической структурой. Эти исследования формируют полную картину о процессах, проходящих внутри кристалла, что позволяет подобрать необходимые условия обработки образца для стабилизации требуемой неравновесной структуры.

Результаты работы ученые представили в виде ряда равновесных и неравновесных фазовых диаграмм, схем структурных превращений кристаллической решетки. Кроме того, ученые доказали, что легирование Fe-Ga сплавов микроскопическими дозами редкоземельных элементов может не только дополнительно повысить их магнитострикцию, но и стабилизировать метастабильные фазы при комнатной температуре.

«Аспиранты НИТУ «МИСиС» Валерия Палачева и Абделькарим Мохамед начали исследования структурных превращений в галфенолах несколько лет назад, – комментирует руководитель проекта профессор Игорь Головин. – Важным этапом исследований стало сотрудничество с группой физика-экспериментатора профессора Анатолия Балагурова из Объединенного института ядерных исследований. Цель совместного (РНФ) проекта — систематическое изучение структуры и свойств сплавов на основе железа в неравновесном состоянии, включая исследования на нейтронном реакторе в совокупности с методами физического металловедения, такими как сканирующая электронная и просвечивающая электронная микроскопия, рентген, магнитометрия, внутреннее трение и другие».

Благодаря систематическому подходу к изучению структуры галфенолов, ученым удалось установить, при каких условиях термической обработки сплавы демонстрируют свои наилучшие функциональные свойства.

Исследование проводится в рамках грантов Российского научного фонда и международных проектов при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований. Далее коллектив планирует расширить область исследований, шире применяя легирование редкоземельными металлами и используя соединения других металлов с железом.