Pracownicy Uniwersytetu Śląskiego: dr hab. inż. Artur Chrobakoraz dr Grzegorz Ziółkowski z Wydziału Matematyki, Fizyki i Chemii, a także prof. dr hab. Grzegorz Haneczok z Wydziału Informatyki i Nauki o Materiałach opracowali lity objętościowy stop o ultrawysokiej koercji magnetycznej. Decyzją Urzędu Patentowego RP wynalazek oraz sposób jego otrzymywania zostały objęte ochroną patentową.
Lity objętościowy, a więc otrzymany w formie stałej kawałek materiału zawiera wprawdzie metale ziem rzadkich, ale pod pewnym względem wykazuje o wiele lepsze właściwości niż znane dotychczas magnesy neodymowe. – Stopy magnetyczne oceniamy pod kątem dwóch parametrów: remanencji oraz koercji magnetycznej. Pierwszy parametr oznacza stopień natężenia magnetycznego wewnątrz ciała stałego, drugi – wartość pola magnetycznego, w którym następuje rozmagnesowanie materiału. Opracowany przez nas stop charakteryzuje się bardzo wysoką koercją magnetyczną – wyjaśnia naukowiec. Wykorzystywane obecnie w przemyśle magnesy neodymowe osiągają wartość tego parametru na poziomie 1 tesli, podczas gdy stop otrzymany w laboratorium Uniwersytetu Śląskiego wykazuje koercję magnetyczną na poziomie 9 tesli, co ważne, w temperaturze pokojowej. Właściwość ta znacznie rozszerza możliwości aplikacyjne opatentowanego materiału, a w przypadku materiałów litych nie była do tej pory obserwowana.
– Niestety otrzymany przez nasz zespół stop charakteryzuje się stosunkowo niską remanencją, dlatego póki co nie może konkurować z szeroko stosowanymi magnesami neodymowymi – komentuje badacz. Niespotykanie wysoka koercja magnetyczna sprawia jednak, że wynalazek może być punktem wyjściowym do projektowania nowych kompozytów zawierających różne fazy magnetyczne, w tym te z ultrawysoką koercją. Opatentowany stop może być również wykorzystywany do konstrukcji nano- i mikrorobotów działających w środowisku charakteryzującym się wysokim polem magnetycznym o natężeniu kilku tesli. – Tradycyjne materiały magnetyczne w takich warunkach zmieniają swoje właściwości. Zastosowanie naszego stopu daje pewność, że pożądane właściwości magnetyczne nie ulegną zmianie – mówi dr hab. inż. Artur Chrobak.
Przedmiotem patentu jest również metoda otrzymywania litego objętościowego stopu o ultrawysokiej koercji magnetycznej, której autorami są naukowcy z Uniwersytetu Śląskiego. Aby uzyskać materiał o pożądanych właściwościach trzeba zaprojektować jego skład chemiczny oraz wytworzyć go z wykorzystaniem specjalnie opracowanej technologii. Jak wyjaśnia naukowiec, na początku pierwiastki są topione w łuku elektrycznym. Następnie tak przygotowany stop o właściwym składzie chemicznym jest odlewany w postaci pręta formowanego metodą zasysania próżniowego z fazy ciekłej. – Nasze działanie przypomina używanie strzykawki. Dysponujemy formą z otworem o długości kilku centymetrów i szerokości kilku milimetrów, która „zasysa” stop z fazy ciekłej. Następnie zachodzi proces krystalizacji materiału przy ustalonej prędkości chłodzenia rzędu 1000 K/s. Odpowiednia kombinacja składu chemicznego stopu oraz charakterystycznej prędkości chłodzenia powoduje tworzenie się tzw. dendrytów faz magnetycznych – nieregularnych mikroziaren przypominających fraktale np. liści paproci. To właśnie dendryty są odpowiedzialne za ultrawysoką koercję magnetyczną.
Otrzymany stop należy do grupy twardych materiałów magnetycznych zwanych stałymi magnesami. Najsilniejsze z nich – magnesy neodymowe – stosowane są obecnie przede wszystkim w branży motoryzacyjnej jako elementy budowy generatorów, prądnic czy mniejszych i lżejszych silników krokowych o stosunkowo wysokim momencie obrotowym. Jak wyjaśnia dr hab. inż. Artur Chrobak, magnesy neodymowe w swoim składzie zawierają tak zwane metale ziem rzadkich, których dostępność jest ograniczona. Od ponad dwudziestu lat naukowcy na całym świecie poszukują alternatywnych rozwiązań pozwalających na otrzymywanie równie silnych magnesów niezawierających lub o zmniejszonej zawartości ziem rzadkich. – Nasz zespół badawczy również poszukiwał alternatywnych rozwiązań. Efektem prac jest lity objętościowy stop o ultrawysokiej koercji magnetycznej, który został właśnie opatentowany – mówi fizyk.
O ile technika otrzymywania stopów magnetycznych jest w świecie nauki dobrze znana, o tyle zespół z Uniwersytetu Śląskiego badał wpływ różnych czynników podczas jej stosowania. Naukowcy dobrali parametry technologii w taki sposób, aby otrzymane stopy magnetyczne wykazywały unikatowe właściwości.
Kompozyty projektowane na bazie otrzymanego stopu są badane przez dr. hab. inż. Artura Chrobaka w ramach grantu pt. „Oddziaływania magnetyczne w kompozytach zawierających fazy o ultrawysokiej koercji” finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki.
Małgorzata Kłoskowicz | Sekcja Prasowa UŚ
fot. Sekcja Prasowa UŚ