Исследования ученых Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ выявляют закономерности, связывающие особенности строения структуры и макроскопические свойства «интеллектуальных» сплавов системы железо-галлий, галфенолов. Сравнительные эксперименты, проведенные с помощью рентгеновской и нейтронной дифракции, продвигают исследователей на пути получения сплавов с нужными свойствами и показывают преимущества нейтронов над рентгеновским излучением при исследовании подобных металлических систем.

Галфенолы

Интерметаллиды относят к функциональным материалам, свойства которых – инженерные и физические - определяются особенностями их атомной структуры, объемной микроструктуры и фазовых состояний. Относящиеся к ним сплавы системы железо-галлий (Fe-xGa), обладают ярко выраженными магнитно-механическим свойствами и отличаются от остальных двойных сплавов железа наличием рекордных значений магнитострикции. Материалы с такими свойствами могут значительно менять форму и размеры при намагничивании или размагничивании, что впервые наблюдал Джеймс Джоуль в 1842 году. (Эффект магнитострикции, вызванный изменением энергетического состояния материала в магнитном поле, используют для преобразования электромагнитной энергии в механическую. Обратный или магнитоупругий эффект носит имя Виллари и состоит в изменении намагниченности под действием механических деформаций.)

Эта особенность Fe-Ga сплавов уже более полувека вызывает большой интерес, резко выросший в последние 20 лет после разработки в США галфенолов (Galfenol: аббревиатура от Gallium, Ferrum, NOL – The Naval Ordnance Laboratory).

Галфенолы – это магнитомягкие, прочные и высокочувствительные к внешним полям и деформациям материалы с удачным сочетанием функциональных и механических свойств, которые лучше всего проявляются при содержании 19 или 27 % Ga (В этом случае величина магнитострикции в монокристалле при комнатной температуре достигает 400-350 ppm и определяется не только составом сплава, но зависит и от режима его приготовления, и от наличия добавок.). Они уже широко применяются в высокотехнологичных отраслях промышленности и имеют большой потенциал для использования в качестве чувствительных датчиков давления и сенсоров, магнитострикционных приводов (актуаторов), мощных гидролокаторов, антивибрационных систем, устройств для накопления энергии и спинтроники.

Необычные функциональные свойства галфенолов, как, например, рекордное значение магнитострикции, связывают с неоднородностями в структуре материала. Тем не менее в исследованиях сплавов еще много белых пятен, и ученые пытаются объяснить, почему в них возникают микро- и нано- неоднородности и наблюдаются фазовые превращения при разных условиях. Такое физическое обоснование сыграет важную роль в теории интерметаллидов, позволит подбирать новые составы сплавов и способы их приготовления для получения материалов с максимальными величинами полезных свойств. А в перспективе откроет дорогу к  использованию подобных «интеллектуальных» материалов для «сбора» энергии (концепция «energy harvesting»).

«Energy harvesting»: «сбор» энергии с помощью галфенолов или энергия «из ничего»

«Energy harvesting» - это концепция накопления электрической энергии из окружающей среды, буквально «из ничего» (например, из движения воздуха и воды, из солнечного света и из градиента солёности в устье реки). Такие превращения позволят питать миниатюрные датчики беспроводных сенсорных сетей, различные гаджеты, переносимую электронику и другие автономные устройства, которые давно вошли в нашу жизнь.

На протяжении последнего десятилетия разработчики новых устройств для сбора энергии, эффективно преобразующих кинетическую энергию колебаний в электромагнитную, пытаются использовать галфенол. По сравнению с традиционными накопителями пассивной энергии, «интеллектуальный» галфенол собирает и преобразует энергию за счет присущих сплаву свойств, а не относительного движения между его компонентами. Поэтому энергетические устройства на основе галфенолов могут обладать более высокими показателями преобразования энергии на более низких частотах. Такие свойства позволят уменьшить массу и объем системы и будут способствовать интеграции с другими устройствами. Галфенол, податливый материал, который выдерживает значительные перепады температур, не разрушается при сварочных работах и многократных циклах вибрации. Поэтому его все чаще называют фаворитом среди сплавов с высоким значением магнитострикции, которые используют в качестве сбора энергии. Бывший рекордсмен Terfenol-D с высоким содержанием редкоземельных элементов (Tb0.3Dy0.7Fe2), а также используемые в пьезоэлектрических элементах материалы, отличаются хрупкостью и подвержены старению.

Исследования структурных особенностей и свойств галфенола позволят контролировать параметры, влияющие на работу накопителей и преобразователей энергии, и создавать новые эффективные устройства «energy harvesting».

Нейтронная и рентгеновская дифракция

Рис.1. Схема экспериментов

Чтобы выяснить, почему наличие немагнитного галлия в определенной пропорции в сплавах железа резко увеличивает магнитострикцию галфенолов, ученые пытаются получить дополнительные сведения об атомной структуре, микроструктурных образованиях и фазовых превращениях в материале. Для этого используют как всевозможные материаловедческие методы по исследованию металлов - микроскопию, калориметрию и другие, так и методы нейтронной и рентгеновской дифракции in situ.

Ученые МИСиС в содружестве с коллегами из ЛНФ ОИЯИ в течение нескольких лет подробно изучают возможности структурной нейтронографии для обнаружения закономерностей между функциональными свойствами галфенолов и особенностями их структуры. Для этого используют нейтронные спектрометры, действующие на уникальном импульсном реакторе ИБР-2 в ОИЯИ.

Очередная совместная работа ученых, опубликованная в JAC (Journal of Applied Crystallography), посвящена сравнению результатов, полученных с помощью методов рентгеновской и нейтронной дифракции во время исследования одинаковых образцов галфенола Fe-27Ga при нагревании до 850 С и последующем охлаждении до комнатной температуры.

Основное достоинство рентгеновской дифракции (в том числе, синхротронной) заключается в возможности исследования с высоким разрешением структуры поверхностного слоя образца, но она не дает достаточно информации о структурных особенностях и кинетике процессов в его объеме даже при специальной подготовке поверхности и вакуумировании. Тогда как нейтронная дифракция – это «объемный метод», который благодаря высокой проникающей способности нейтронов позволяет проследить за образованием неоднородностей, фазовых переходов и трансформации кристаллической структуры внутри образцов.

Рис.2. Дифрактограммы для рентгеновского [(a), (b)] и нейтронного [(c), (d)] излучения при нагревании [(a), (c)] и охлаждении [(b), (d)] образцов Fe–27Ga. На рисунке (а) звездочками отмечены дифракционные пики от примесной фазы Ga2O3, на (б) - слабые дифракционные пики от примесной фазы Fe2O3.

«Полученные результаты подтверждают известный факт, что методы рентгеновской дифракции дают сведения только о поверхности образца. Что само по себе конечно, важно. Но нейтронные исследования могут в значительной мере дополнить структурный анализ объемных образцов и скорректировать фазовые диаграммы. Наблюдения во время нейтронной и рентгеновской дифракции выявили разные особенности в поверхностной и объемной структуре материалов. С практической точки зрения особый интерес вызывают результаты экспериментов in situ, которые показывают тонкости фазовых превращений во время термической обработки сплава. Так, температуры всех фазовых переходов, определенные во время экспериментов с помощью рентгеновской дифракции, оказались на 20 градусов ниже, чем соответствующие температуры в нейтронных исследованиях, что можно объяснить зарождением новой фазы в приповерхностных слоях с последующим распространением вглубь образца. Такие сведения помогут оптимизировать технологические процессы во время приготовления сплава», - прокомментировал исследование участник Иван Бобриков из ЛНФ.

Работа ученых опубликована

Temperature evolution of Fe–27Ga structure: comparison of in situ X-ray and neutron diffraction studies.  Ivan A. Bobrikov, Nataliya Yu. Samoylova, Sergey V. Sumnikov, Olga Yu. Ivanshina, Ekaterina A. Korneeva, Anatoly M. Balagurov and Igor S. Golovin. J. Appl. Cryst. 2020, V. 53. 1343–1352.

Ольга Баклицкая-Каменева