Баланс прочности и теплопроводности: найден перспективный сплав для электромобилей

В Университете МИСИС предложили алюминиевые сплавы с добавлением никеля и редкоземельных металлов, которые могут найти применение в электротехнике и электротранспорте. Исследователи подобрали составы, которые позволяют сделать алюминий прочнее, сохранив его способность хорошо проводить электрический ток.

Алюминий широко используют в электротехнике благодаря его способности проводить электрический ток и сравнительно небольшой плотности. Однако при создании новых материалов для электротранспорта и электрического оборудования важно учитывать не только электропроводность, но и прочность. Детали должны выдерживать механические нагрузки, сохраняя способность эффективно проводить ток и отводить тепло.

Один из способов улучшить свойства алюминия — добавить небольшое количество других металлов. При этом важно подобрать их сочетание так, чтобы повышение прочности не приводило к существенному снижению электропроводности.

Учёные МИСИС изучили сплавы на основе алюминия с добавлением никеля и одного из пяти редкоземельных металлов: иттрия, эрбия, иттербия, гадолиния или самария. На первом этапе учёные рассмотрели литые сплавы — материалы, полученные после заливки расплава в форму и его затвердевания. Затем образцы подвергли термической обработке, чтобы выяснить, как нагрев меняет внутреннее строение металла и его характеристики.

При затвердевании в алюминии образуются мелкие частицы соединений никеля и редкоземельных металлов. Они влияют на механические свойства сплава, а их количество, размеры и распределение определяют, насколько хорошо материал проводит тепло и электрический ток. После нагрева при температуре 605–620 °C в течение шести часов структура изменилась: частицы укрупнились, а их распределение стало другим.

После термической обработки сплавы сохранили хорошую теплопроводность и показали достаточную прочность. Это делает их перспективными для дальнейшей разработки литейных алюминиевых сплавов, в том числе для электротранспорта.

Во втором исследовании учёные продолжили работу и проверили, как на свойства тех же сплавов влияет прокатка. Обработка металла давлением позволила измельчить структуру материала. Средний размер частиц интерметаллических соединений — то есть соединений металлов, образующихся внутри сплава, — уменьшился примерно с 1–1,5 до 0,8–1,2 микрометра. Изменения способствовали упрочнению материала.

Лучшие результаты получили сплавы с добавлением иттрия, эрбия и иттербия. Прокатка и последующая термическая обработка сделали их прочнее, при этом материалы сохранили способность проводить электрический ток. Это важно для создания прочных алюминиевых сплавов, которые можно использовать в электротехнике, — сказала доцент кафедры металловедения цветных металлов НИТУ МИСИС Мария Главатских.

Обе работы показывают, что свойства алюминиевых сплавов можно целенаправленно менять не только за счёт подбора легирующих добавок, но и с помощью технологии обработки. Для литых материалов важен баланс прочности и теплопроводности, а прокатка с последующим нагревом открывает возможности для получения более прочных сплавов с высокой электропроводностью.

Полученные результаты могут стать основой для дальнейшей разработки материалов для электрических проводников и компонентов электротранспорта. При этом речь пока идёт о перспективных составах, изученных в лабораторных условиях: для практического применения необходимо продолжить исследование их характеристик и оценить возможности производства готовых изделий, — отметил к.т.н. Андрей Поздняков, доцент кафедры металловедения цветных металлов НИТУ МИСИС.

Подробности исследования опубликованы в научном журнале Journal of Alloys and Compounds. Работа проведена при поддержке Российского научного фонда (проект № 22–79–10142-П).

Фото: МИСИС

Источник: Минобрнауки России