КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер проекта 25-19-00587

НазваниеКритические явления и кинетика магнитных фазовых переходов в функциональных твердотельных магнитных материалах в сильных импульсных магнитных полях

Руководитель Головчан Алексей Витальевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина" , Донецкая Народная Республика

Конкурс №104 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-203 - Фазовые равновесия и превращения

Ключевые слова Магнитные фазовые переходы, сильные импульсные магнитные поля, кинетика фазовых переходов, критические явления, сплавы Гейслера, пниктиды марганца

Код ГРНТИ29.19.15

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Проект посвящен изучению кинетики магнитных фазовых переходов (ФП) в функциональных твердотельных магнитных материалах, а именно экспериментальному определению скоростей и механизмов протекания магнитоиндуцированных ФП из одной (слабомагнитной) фазы в другую (сильномагнитную) под воздействием сильных импульсных магнитных полей с разными амплитудами и временами нарастания импульса. Будет изучено поведение магнитных и магнитоструктурных ФП вблизи критических точек, а также изучены сопутствующие ФП критические явления, наблюдаемые только в сильных магнитных полях. Кинетика процессов намагничивания в окрестности магнитного или магнитоструктурного ФП является сложным физическим процессом, в котором значительную роль играют времена, связанные с релаксацией процессов упорядочения и перераспределения энергии между подсистемами твёрдого тела. В настоящее время отсутствуют систематические экспериментальные исследования кинетических и релаксационных процессов, описываемых уравнениями типа Ландау-Халатникова, которые сопровождают магнитные и магнитоструктурные ФП, что сподвигло авторов проекта начать исследования в этой области. Особо актуально изучение кинетических и релаксационных процессов, сопровождающих магнитные ФП, с прикладной точки зрения – совершенствования технологии охлаждения на основе магнитокалорического эффекта (МКЭ) в функциональных твердотельных магнитных материалах с ФП. Сфера применения подобных технологий постоянно расширяется и включает в себя как бытовое холодильное оборудование, так и ожижение криогенных газов. Скорость протекания магнитоиндуцированного ФП выступает естественным ограничителем мощность магнитного холодильника. В проекте применён оригинальный подход к решению проблемы прямого экспериментального изучения кинетики и критического поведения магнитоиндуцированных ФП в функциональных материалах, предполагающий одновременное измерение намагниченности, магнитострикции и температуры магнетика в сильных импульсных магнитных полях с разными амплитудами и временами нарастания импульса. Температура исследуемых материалов будет измеряться с помощью быстродействующего (с разрешением менее 1 мкс) инфракрасного бесконтактного волоконно-оптического датчика температуры (ВОДТ). Инновационный ВОДТ, созданный авторами проекта, по своим характеристикам, таким как максимальное магнитное поле, частота дискретизации, постоянная времени детектора, погрешность и разрешение превосходит все известные бесконтактные и контактные датчики (микротермопары и пленочные терморезисторы). В рамках проекта будут изучены скорости и механизмы протекания магнитоиндуцированных ФП в следующих классах магнитных материалов: (1) сплавах Гейслера семейства Ni-Mn-X(Y), где X = Ga, In, Sn, Ti и Y = Cu, V, Si, Cr, (2) сплавах Mn-As(Z), где Z = Ti, P, Fe, (3) полугейслеровых сплавах семейства MnNiGe-MnCoGe-MnCoSi. Эти соединения обладают различными видами магнитных ФП, а также проявляют различные функциональные свойства, такие как сильный МКЭ (как прямой, так и обратный), термоупругий мартенситный ФП и магнитоуправляемый эффект памяти формы. Полученные в ходе проекта прямые экспериментальные данные позволят создать теоретические модели для описания кинетических и релаксационных явлений вблизи ФП. Решение поставленных задач требует усовершенствования экспериментальной техники, поскольку ни одна лаборатория мира не располагает совокупностью источников магнитного поля и измерительных приборов высокой частоты и амплитуды. По итогам реализации проекта будут получены не только результаты исследования кинетических и релаксационных процессов в окрестностях магнитных и магнитоструктурных ФП в функциональных твердотельных магнитных материалах, но и модернизирована установка для создания сверхсильных импульсных магнитных полей (до 35 Тл).

Ожидаемые результаты
При реализации проекта будут получены новые знания в области физики магнитных явлений и физики конденсированного состояния, а именно: экспериментально изучены кинетические и релаксационные явления, сопровождающие магнитные и магнитоструктурные ФП под действием сильных импульсных магнитных полей в ряде функциональных твердотельных магнитных материалов. В частности, будут исследованы высокоскоростные процессы релаксации температуры, намагниченности и магнитострикции в: (1) сплавах Гейслера семейства Ni-Mn-X(Y), где X = Ga, In, Sn, Ti и Y = Cu, V, Si, Cr, (2) сплавах Mn-As(Z), где Z = Ti, P, Fe, (3) сплавах семейства MnNiGe-MnCoGe-MnCoSi, вблизи магнитных и магнитоструктурных ФП под действием сильных импульсных магнитных полей с широким диапазоном амплитуды до 35 Тл и времени нарастания импульса до 10 мс. В настоящее время отсутствуют систематические экспериментальные исследования кинетических и релаксационных процессов, сопровождающих магнитоиндуцированные фазовые переходы (ФП) в сильных импульсных магнитных полях, что ограничивает их практическое применение. Известно, что в области магнитных и магнитоструктурных ФП реализуются максимальные значения магнитокалорического эффекта (МКЭ). В мировой практике в преобладающей части работ по изучению МКЭ применяют косвенные методы (с погрешностью до 30%) или прямые, но в малых магнитных полях до 2 Тл, что, как правило, недостаточных для полного завершения магнитоиндуцированного ФП 1-го рода. Прямыми исследованиями МКЭ в сильных импульсных магнитных полях и его взаимосвязью с кинетическими и критическими явлениями занимаются небольшое количество научных групп: (1) авторы представленного проекта, (2) японская группа проф. Т. Kihara, (3) немецкая группа T. Gottschall, (4) польская группа J. Cwik. Определяющим моментом в таких исследованиях является датчик измерения температуры. Известные научные группы (2)-(4) используют контактные датчики температуры (микротермопары и плёночные терморезисторы), электромагнитные помехи на которых пропорциональны производной магнитного поля по времени (dB/dt) и учитываются только при обработке результатов эксперимента, а время отклика таких датчиков составляет порядка 1 мс при временах нарастания магнитного импульса в 10 мс. Авторы данного проекта предлагают использовать специально разработанный бесконтактный ИК волоконно-оптический датчик с временным разрешением 1 мкс для изучения МКЭ прямыми методами в сильных импульсных магнитных полях до 35 Тл с широким диапазоном времени нарастания импульса до 10 мс. При исследованиях магнитных свойств материалов в сильных импульсных магнитных полях будет учитываться скин-эффект, и соответственно, будет определено влияние дополнительного нагрева за счёт вихревых токов в скин-слое на релаксационные процессы в области магнитных ФП для функциональных твердотельных магнитных материалов. Превращение одной фазы в другую при магнитоструктурных ФП 1-го рода сопровождается флуктуационным возникновением зародышей новой фазы, что, по сути, и определяет кинетику превращения. При разных объемах сильномагнитной и слабомагнитной фаз в материале возникают значительные упругие напряжения, что приводит к увеличению гистерезисной области. В проекте параллельно с прямыми экспериментальными исследованиями будет проведено теоретическое рассмотрение особенностей, наблюдаемых в новых функциональных твердотельных сплавах с магнитными и магнитоструктурными ФП в рамках феноменологической модели, учитывающей взаимодействие магнитной и решёточной подсистем. В мировой практике проведение исследований материалов в сильных магнитных полях сосредоточено в национальных лабораториях, которые, как правило, довольно универсальны. В 1970-х Э.А.Завадский создал в Донецком физико-техническом институте им. А.А. Галкина научную школу физики фазовых превращений в экстремальных условиях, одним из основных направлений которой были исследования фазовых превращений в сильных импульсных магнитных полях. Ученики Э.А. Завадского развили оригинальную методику исследований в сильных импульсных магнитных полях с использованием микросоленоидов, что позволило в конце 80-х достичь магнитных полей ~50 Тл. На момент написания проекта в распоряжении авторов имеются установки, позволяющие создавать импульсное магнитное поле до 35 Тл с длительностью импульса 10 мс. В данном проекте авторы предлагают провести её модернизацию, что позволит проводить эксперименты уже с существующими опробованными методиками авторов проекта. В итоге будет получена установка для генерации сильных импульсных магнитных полей с амплитудой до 35 Тл и временем нарастания импульса до 10 мс, позволяющая в рабочей области одновременно использовать быстродействующие (1 МГц) измерительные методики: (1) бесконтактный ИК волоконно-оптический датчик температуры, (2) индукционный датчик намагниченности, (3) контактный пьезоэлектрический датчик магнитострикции. Таким образом, в рамках проекта будут получены следующие научные и прикладные результаты: 1. Будут проведены ab initio расчеты электронной структуры сплавов на основе Ni-Mn-X(Y), Mn-As(Z), MnNiGe-MnCoGe-MnCoSi, рассчитаны величины межатомных обменных взаимодействий. Результаты ab initio расчетов позволят оценить температуры Кюри, магнитоструктурных ФП, величины МКЭ. Также расчёт обеспечит предварительный отбор легирующих добавок с точки зрения тенденций к смещению температур ФП, что позволит выбрать наиболее перспективные по функциональным характеристикам сплавы. 2. Будут синтезированы: (1) ряд сплавов Гейслера семейства Ni-Mn-X(Y), где X = Ga, In, Sn, Ti и Y = Cu, V, Si, Cr, (2) ряд сплавов Mn-As(Z), где Z = Ti, P, Fe, (3) полугейслеровых сплавов семейства MnNiGe-MnCoGe-MnCoSi. Cинтез сплавов Гейслера и полугейслеровых сплавов будет проводиться по технологии дуговой плавки в атмосфере аргона, включающей совместное плавление исходных элементов и последующий длительный гомогенизирующий отжиг. Синтез сплавов Mn-As(Z) будет проводится методом порошковой металлургии. 3. Будут определены составы (методами энергодисперсионной спектроскопии) и кристаллические структуры (методом рентгеноструктурного анализа) полученных сплавов. Будут исследованы свойства полученных образцов методами дифференциального термического анализа для определения температур фазовых переходов первого рода. 4. Будут исследованы магнитные свойства полученных сплавов: температурные зависимости намагниченности во внешнем магнитном поле (до 1 Тл) и внешнем давлении (до 14 кбар) по имеющейся у авторов проекта методике. Будет исследован магнитокалорический эффект в полученных сплавах в магнитных полях до 1,8 Тл по имеющейся у авторов проекта методике. 5. Будет создана уникальная быстродействующая система сбора данных (с частотой дискретизации в 1 МГц), состоящая из: (1) бесконтактного волоконно-оптического датчика температуры, (2) индукционного датчика намагниченности, (3) контактного пьезоэлектрического датчика магнитострикции. 6. Будет проведена модернизация установки для создания импульсных магнитных полей до 35 Тл, временем нарастания импульса до 10 мс и внутренним размером соленоида, позволяющим разместить бесконтактный волоконно-оптический датчик температуры и контактный пьезоэлектрический датчик магнитострикции. 7. Будут получены прямые экспериментальные данные о скоростях и механизмах протекания магнитных и магнитоструктурных фазовых переходов в функциональных твердотельных сплавах Ni-Mn-X(Y), где X = Ga,In,Sn,Ti; Y = Cu,V,Si,Cr, Mn-As(Z), где Z = Ti,P,Fe, сплавах MnNiGe-MnCoGe-MnCoSi в сильных импульсных магнитных полях до 35 Тл с временами нарастания импульса до 10 мс. 8. Будут получены прямые экспериментальные данные о критическом поведении магнитных и магнитоструктурных фазовых переходов и сопутствующих критических явлениях в сплавах Ni-Mn-X(Y), где X = Ga,In,Sn,Ti; Y = Cu,V,Si,Cr, и Mn-As(Z), где Z = Ti,P,Fe, сплавах MnNiGe-MnCoGe-MnCoSi в сильных импульсных магнитных полях до 35 Тл. 9. Будет проведено теоретическое рассмотрение эффектов, наблюдаемых в новых функциональных твердотельных сплавах с магнитными и магнитоструктурными фазовыми переходами в рамках феноменологической модели, учитывающей взаимодействие магнитной и решёточной подсистем.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---