Материалы для планшетов и телефонов поможет улучшить левитация

11:20, 4 июля 2023

Физики рассказали о методике создания сплавов с улучшенными свойствами

Любовь Торопова проводила исследования на установке в Германии. Фото: Любовь Торопова.

Ученые Уральского федерального университета совместно с немецкими и английскими коллегами рассказали о методах обработки металла, с помощью которых можно создавать расплавы с улучшенными свойствами. Одним из способов — методом электромагнитной левитации (ЭМЛ) — были обработаны сплав «никель-алюминий» и образцы из гласформеров. Такие материалы широко применяются в смартфонах, планшетах (высокоэлектропроводящие элементы), деталях машин, из них также изготавливаются двигатели для малогабаритной авиации. Исследование поддержал Российский научный фонд (грант № 21-79-10012). Результаты работы опубликованы в журнале «Успехи физических наук».

«Исследования проводились на экспериментальной установке электромагнитной левитации, расположенной в Университете им. Фридриха Шиллера (Германия). Эксперименты провели методом электромагнитной левитации, который используется для изучения свойств жидких металлов и сплавов, кинетики их кристаллизации, а также для получения образцов с заданной структурой и свойствами. Процесс происходит следующим образом: образец плавится и затвердевает бесконтейнерно в условиях невесомости, что дает возможность избежать влияния внешних стенок тигля или контейнера на процесс обработки. В результате существенно снижается вероятность гетерогенного зарождения, что, в свою очередь, влияет на характеристики затвердевшего материала, например, на прочность, пластичность, электро- и теплопроводность и другие», — поясняет старший научный сотрудник лаборатории математического моделирования физико-химических процессов в многофазных средах УрФУ Любовь Торопова.

В итоге физикам удалось получить образцы с более равномерной структурой — вещества, расплавленные в невесомости, затвердевают более однородно. Микроструктурное состояние, полученное в результате такой обработки, положительно сказывается на свойствах материалов — сплавы имеют большую пластичность, прочность, электро- и теплопроводность.

Создать материалы с заданными свойствами в условиях невесомости можно разными способами, поясняют ученые. Это и акустическая, и электромагнитная, и электростатическая левитации, и левитация в стационарном магнитном поле. Кроме того, можно создать условия пониженной гравитации и микрогравитации при выполнении параболических полетов аэробусов. Метод, который использовали ученые, — ЭМЛ — подходит для бесконтейнерной обработки металлических, сплавных, полупроводниковых материалов. Он позволяет экспериментировать с образцами, изучать их физические и химические свойства, а также задавать нужные параметры и структуру.

«В ходе исследования мы подробно проанализировали различные варианты геометрии катушек. Это позволило обеспечить более широкий диапазон контроля температуры при условии стабильной левитации образца. Также мы специально рассмотрели условия кристаллизации образцов в ЭМЛ, указывающие на преобладающую роль процессов переноса в формировании микроструктуры исследуемых материалов, что особенно важно, поскольку кристаллографическая структура предопределяет многие физические свойства металлических сплавов», — добавляет Любовь Торопова.

Справка

Никель — мягкий металл серебристого цвета. Благодаря характеристикам проявляет стойкость к ржавлению и химическому воздействию, поэтому имеет широкую сферу применения. Его используют в сочетании с алюминием, медью, оловом, титаном, хромом и прочими элементами. Никель — чрезвычайно востребованный металл, который применяется в медицине, химической промышленности, производстве аккумуляторов и др.

Алюминий — распространенный металл, содержание элемента в земной коре достигает 7,5-8 %, что уступает по распространенности только таким элементам, как кислород и кремний. У алюминия низкая плотность (легкий), высокая стойкость чистого металла и большинства сплавов к коррозии, пластичность, длительный срок службы. В сплавах с некоторыми металлами получает повышенные характеристики прочности, твердости и другие. Это обеспечивает широкий спектр применения в разных сферах: от строительства до авиа- и космической промышленности.

Гласформер — класс стеклообразующих сплавов, может быть на основе циркония с добавлением палладия, никеля и меди. Подобные сплавы характеризуются уникальной стеклообразующей способностью и используется в виде высокоэлеткропроводящих элементов современных телефонов и планшетов, а также деталей бытовых машин.

Отметим, «Успехи физических наук» — авторитетный научный журнал, в котором публикуются обзоры современного состояния наиболее актуальных проблем физики и смежных с ней наук. Является одним из наиболее цитируемых периодических изданий в России. Основан в 1918 году.

Сергей Лукьянченко