Лауреаты премии Правительства Москвы молодым учёным за 2021 год
Молодые исследователи, работающие в научных центрах и университетах столицы, могут подать заявки на премию Правительства Москвы молодым учёным. Награда присуждается как за достижения в фундаментальных исследованиях, так и за разработку новых технологий. Приём заявок на участие в конкурсе за 2022 год проходит до 15 июля 2022 года (подробности: https://nauka.mos.ru).
В апрельском и майском номерах журнала рассказывалось об исследованиях нескольких лауреатов 2021 года (см. «Наука и жизнь» №№ 4, 5, 2022 г.). Представляем ещё две работы лауреатов.
Металлические стёкла для инновационных трансформаторов
Переход от углеводородных источников энергии (нефти, газа, угля) к возобновляемым — солнцу, ветру, теплу недр и другим — набирает темп. Однако до сих пор стоимость электроэнергии, полученной с использованием возобновляемых источников энергии (ВИЭ), выше, чем произведённой из традиционных источников. Кроме того, затраты на строительство электростанций, использующих энергию солнца либо ветра, больше, чем, например, для традиционных ТЭС на газе. И более высокие инвестиционные затраты надо как-то компенсировать. Это можно сделать, повышая энергоэффективность и энергосбережение на всех этапах, то есть уменьшать потери электроэнергии при передаче, трансформации и эксплуатации электроустройств.
Один из способов уменьшения потерь — использование новых энергоэффективных материалов. Возьмём, например, трансформатор. Важный элемент этого устройства — стальной сердечник (магнитопровод). Потери электроэнергии в сердечнике происходят из-за магнитного гистерезиса и нагревания, вызванного вихревыми токами. Сердечник обычно выполняют из ферромагнитных магнитомягких материалов. Эти материалы применяют и в других приборах, где используется эффект магнитной индукции, — от домашней бытовой техники до научно-технического оборудования, генераторов, двигателей.
В качестве магнитомягкого материала часто выступает электротехническая (трансформаторная) сталь, содержащая добавку кремния и иногда алюминия. Как известно, металлы и сплавы имеют кристаллическую решётку, в которой всегда есть дефекты структуры. Это дислокации, вакансии (отсутствие в узле решётки атома), межузельные атомы и др. Но при сверхвысоких скоростях охлаждения металла из жидкого состояния (со скоростью > 100°С/с) можно получать аморфные сплавы, не имеющие кристаллической решётки, обладающие однородной структурой без дефектов. Такие аморфные сплавы называют металлическими стёклами за схожесть их структур со структурой стекла.
В аморфных сплавах благодаря однородной бездефектной структуре электромагнитные потери при перемагничивании существенно меньше, чем в сплавах с кристаллической структурой, и они обладают необходимым набором магнитных свойств (низкой коэрцитивной силой, высокой магнитной проницаемостью). При этом технология их получения относительно проста. Однако у стеклообразных сплавов есть один недостаток по сравнению с кристаллическими аналогами: сравнительно низкая индукция насыщения, то есть индукция, при которой намагниченность достигает максимально возможного значения. Но и этот недостаток можно устранить, если трансформировать аморфную структуру в нанокристаллическую.
Исследования по созданию сплавов для сердечников трансформаторов и электронных устройств с увеличенной энергоэффективностью ведут в лаборатории «Перспективные энергоэффективные материалы» Московского института стали и сплавов (НИТУ «МИСиС»). Речь о магнитомягких сплавах на основе железа как с аморфной, так и с нанокристаллической структурой.
В лаборатории разработали аморфные сплавы, использование которых даёт возможность снизить потери электроэнергии в сердечниках трансформаторов в три раза. Например, если использовать трансформатор мощностью 1000 кВА с сердечником из нового сплава, по расчётам, можно сэкономить более 16 000 кВт⋅ч. Таких выдающихся результатов достигли благодаря улучшенным составам сталей, легированных кремнием, бором, фосфором, молибденом и медью. Получают их в виде тонкой ленты литьём расплава на поверхность охлаждаемого вращающегося диска с последующей исключительно высокой скоростью охлаждения (скоростной закалкой). Для подбора оптимальных составов сплавов сотрудники лаборатории провели предварительные теоретические расчёты, затем изготовили лабораторные образцы и скорректировали составы сталей, чтобы найти оптимальное сочетание свойств. Новые материалы обладают высокой стеклообразующей способностью (в ходе охлаждения), благодаря чему можно делать аморфную ленту толщиной более 30 мкм, что вполне приемлемо для внедрения в промышленное производство.