Синтез, структура и функциональные свойства высокоэнтропийных магнетокалорических материалов на основе редко-земельных элементов

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 21-43-00015

НазваниеСинтез, структура и функциональные свойства высокоэнтропийных магнетокалорических материалов на основе редко-земельных элементов

Руководитель Ремпель Андрей Андреевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук , Свердловская обл

Конкурс №52 - Конкурс 2020 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (NSFC)

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-603 - Фундаментальные основы создания новых металлических, керамических и композиционных материалов

Ключевые слова высокоэнтропийные сплавы, твердый раствор, атомный беспорядок, деформация кристаллической решетки, магнетокалорический эффект, функциональные свойства

Код ГРНТИ31.01.17

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Магнитное охлаждение, базирующееся на применении магнетокалорического эффекта,– одна из наиболее перспективных, экологически чистых и бурно развивающихся технологий. Магнитные системы охлаждения обладают целым спектром преимуществ: высокий коэффициент полезного действия, отсутствие токсичных хладагентов, почти нулевые значения шума и вибрации, длительный срок службы, а также возможность создавать портативные устройства. Развитие технологии магнитного охлаждения требует поиска новых функциональных материалов для разработки твердотельных хладагентов. Наиболее перспективными системами представляются материалы, содержащие тяжелые редкоземельные элементы, обладающие наибольшими значениями магнитных моментов. Как показывают последние исследования, системы с различным сочетанием редкоземельных металлов (РЗМ) формируют однофазные многокомпонентные твердые растворы с ГПУ структурой. РЗМ ВЭС являются на сегодняшний день практически не изученными материалами. Учитывая особенности магнетизма РЗМ и специфики кристаллической структуры ВЭС, многокомпонентные твердые растворы тяжелых редкоземельных металлов представляются совершенно уникальным, новым и интригующим объектом для изучения. Присутствие в одной кристаллической решетке атомов разного сорта обуславливает повышенную дефектность структуры, обуславливая неординарные свойства этих материалов в сравнении с обычными металлическими сплавами. В силу химического сродства РЗМ, имеется уникальная возможность варьирования элементного состава, что открывает еще большие возможности в модифицировании структуры материалов благодаря широкому диапазону атомных радиусов (160-188 пм). Таким образом, в РЗМ ВЭС возможно формирование почти бездефектных, так и чрезвычайно искаженных кристаллических структур. В случае ВЭС, содержащих тяжелые РЗМ размерный фактор (разброс по атомным радиусам элементов) может радикальным образом отразится на их функциональных характеристиках, в том числе и магнетокалорическом эффекте. Имеющиеся в литературе данные, а также результаты наших исследований в области редкоземельных систем показывают, что размерный фактор является чрезвычайно важным обстоятельством, определяющим магнитные и магнетокалорические свойства материалов. В связи с вышесказанным, вытекает цель данного проекта: выявление роли размерного фактора на структурообразование и функциональные свойства многокомпонентных редкоземельных сплавов на примере систем GdTbDyHoSc и GdTbDyHoY. Комбинация тяжелых РЗМ и немагнитных элементов (иттрий или скандий) с различными атомными радиусами позволит сформировать кристаллическую структуру материалов с различной плотностью дефектов, что даст возможность должным образом проследить роль размерного фактора на структурообразование РЗМ ВЭС и их функциональные характеристики. Отдельно стоит отметить выбор системы со скандием. РЗМ материалы, содержащие скандий изучены крайне скудно в силу дороговизны данного элемента. Однако известно, что легирование скандием зачастую позволят радикальным образом улучшить свойства материалов. Анализ двух предлагаемых систем позволит получить новые научные результаты, выявить целесообразность включения скандия в состав РЗМ ВЭС и оценить перспективы практического применения данных материалов в качестве твердотельных хладагентов для систем магнитного охлаждения. В рамках предлагаемого проекта планируется проведение комплексного экспериментального исследования по следующей схеме: первый этап: синтез и комплексный анализ структуры и функциональных характеристик сплавов GdTbDyHoSc. второй этап: синтез и комплексный анализ структуры и функциональных характеристик сплавов GdTbDyHoY. третий этап: влияние различной термической обработки на структуру и функциональные характеристики сплавов GdTbDyHoSc и GdTbDyHoY. При выполнении проекта предполагается комплексно изучить структуру материалов, их функциональные свойства (физико-механические и трибологические характеристики, коррозионную стойкость, электропроводность, теплоемкость, термическое расширение, теплопроводность, намагниченность и магнетокалорический эффект), а также провести теоретический анализ структуры, динамических свойств и особенностей химического взаимодействия в расплавах РЗМ ВЭС методами классической и первопринципной молекулярной динамики. Все экспериментальные исследования планируется выполнить в широком диапазоне температур от 4К до 1200К. Решение поставленных задач позволит заметно продвинуться в понимании структурообразования многокомпонентных твердых растворов тяжелых редкоземельных металлов, механизма обуславливающего гигантский магнетокалорический эффект, а также выявить роль размерного фактора на структурообразование РЗМ ВЭС и их функциональные характеристики.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Упоров С.А., Эстемирова С.Х., Стерхов Е.В., Балякин И.А., Ремпель А.А. Magnetocaloric effect in ScGdTbDyHo high-entropy alloy: Impact of synthesis route Intermetallics, Том 151, статья № 107678 (год публикации - 2022)

2. Упоров С.А., Стерхов Е.В., Балякин И.А. Magnetocaloric Effect in ScGdHo Medium-Entropy Alloy Journal of Superconductivity and Novel Magnetism, Том 35, с. 1539-1545 (год публикации - 2022)

3. Мирзоев А.А., Гельчинский Б.Р., Ремпель А.А. Neural Network Prediction of Interatomic Interaction in Multielement Substances and High-Entropy Alloys: A Review Doklady Physical Chemistry, Том 504. С. 51-77. (год публикации - 2022)

4. Упоров С.А., Эстемирова С.Х., Стерхов Е.В., Зайцева П.В., Скрыльник М.Ю., Шуняев К.Ю., Ремпель А.А. ОСОБЕННОСТИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ, СТРУКТУРЫ И ТЕРМИЧЕСКОЙ СТАБИЛЬНОСТИ ВЫСОКОЭНТРОПИЙНЫХ СПЛАВОВ GdTbDyHoSc И GdTbDyHoY Расплавы, № 5, с 443-453 (год публикации - 2022)

Публикации

1. Гельчинский Б.Р., Игнатьева Е.В., Петрова С.А., Королев О.А., Вараксин А.В., Сипатов И.С., Ильиных Н.И., Ремпель А.А. Коррозионная стойкость высокоэнтропийных сплавов редкоземельных элементов GdTbDyHoSc и GdTbDyHoY с защитными покрытиями Неорганические материалы, том 59, № 7, с. 750–758 (год публикации - 2023)
10.31857/S0002337X23070059

2. С.А. Упоров, Е.В. Стерхов, И.А. Балякин, В.А. Быков, И.С. Сипатов, А.А. Ремпель Synthesis and magnetic properties of some monotectic composites containing ultra-dispersed particles of YGdTbDyHo high-entropy alloy Intermetallics, 165 (2024) 108121 (год публикации - 2023)
10.1016/j.intermet.2023.108121

3. С.А. Упоров Tuning Magnetocaloric Effect in SnMn2 Intermetallic Phase Through sp Elements Doping Journal of Superconductivity and Novel Magnetism, Journal of Superconductivity and Novel Magnetism https://doi.org/10.1007/s10948-023-06658-6 (год публикации - 2023)
10.1007/s10948-023-06658-6

4. Сипатов И.С., Королев О.А., Игнатьева Е.В., Маршук Л.А., Гельчинский Б.Р., Ремпель А.А. Механические свойства высокоэнтропийных сплавов на основе редкоземельных элементов с иттрием и скандием Физика металлов и металловедение, Том 124, № 12, с. 1–8 (год публикации - 2023)
10.31857/S0015323023600788

5. Гельчинский Б.Р., Ильиных Н.И., Игнатьева Е.В. Об ограниченной возможности использования Al2O3 и Al-Zn для защиты от коррозии в камере соляного тумана сплавов GdTbDyHoSc И GdTbDyHoY Известия вузов. Черная металлургия, Т.66, № 5, С. 594-596 (год публикации - 2023)
10.17073/0368-0797-2023-5-594-596

6. Окулов Р.А., Ахметшин С.М., Гельчинский Б.Р., Ремпель А.А. Траектория движения частиц титанового порошка различной фракции в плазменном потоке Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия, 2023;17(3):46–53 (год публикации - 2023)
10.17073/1997-308X-2023-3-47-54

7. Скрыльник М.Ю., Зайцева П.В., Шуняев К.Ю., Ремпель А.А. Спектральный анализ в оценке электрохимического поведения высокоэнтропийных сплавов GdTbDyHoSc и GdTbDyHoY Расплавы, 2023. – № 6. – P. 577-589 (год публикации - 2023)
10.31857/S0235010623060087