Toyota разрабатывает термостойкие магниты с пониженным содержанием неодима

https://www.chem-station.com/chemistenews/2018/02/toyota.html
  • Перевод

Неодимовые магниты используются для различных двигателей, таких как высокомощные двигатели, в электромобилях, которые, как ожидается, в будущем будут интенсивно развиваться. Toyota собирается уменьшить количество неодима (Nd, редкоземельный элемент), разработав новый теплостойкий магнит с пониженным содержанием неодима. (пресс-релиз Toyota от 20 февраля). Предположительно Toyota таким образом пытается обойти зависимость от китайских редкоземельных элементов для своих электромобилей.

Это исследование проведено в рамках проекта NEDO «Разработка технологии магнитных материалов для высокоэффективных двигателей автомобилей нового поколения».

Предыстория вопроса


В гибридных автомобилях и электромобилях важно разрабатывать не только аккумуляторы, но и высокопроизводительные моторы. Чем выше плотность магнитного потока магнита, тем выше производительность двигателя. А так как сплав неодима с железом и бором (Nd2Fe14B) обеспечивает самую высокую плотность магнитного потока, в настоящее время он является основным ферромагнетиком в электродвигателях электромобилей.


Модель электродвигателя с ниодиумовым магнитом (слева).

С другой стороны, неодимовые магниты обладают серьезным недостатком, что магнитное поле ослабевает по мере повышения температуры*. Если добавить к неодиму тербий (Tb) или диспрозий (Dy), то можно подавить снижение магнитного потока.


Ниодимовый магнит (справа) теряет магнитные свойства при увеличении температуры.

Несмотря на то, что неодимовый магнит с добавкой тербия и диспрозия не подвержен недостатку, сложность состоит в том, что диспрозий и тербий — редкоземельные элементы и относительно дороги (цена 1 кг ~ 561$, диспрозия 1 кг ~ 234$ на декабрь 2017 года). Сам неодим недорогой (1 кг ~ 47$), однако существует опасение, что его будет недостаточно по мере увеличения спроса. Более того, проблема заключается еще и в том, что высока доля импорта из Китая ниобия и других редкоземельных элементов в целом. В связи с этим необходимо разрабатывать высокопроизводительные магниты, который использует как можно меньше элементов тербий-диспрозий-неодим.


Направление развития магнитов. С 4-м поколением Prius и Prius второго и третьего поколений (из пресс-релиза Toyota)

Этапы развития технологии


Этап 1. Уменьшение размеров зерен, составляющих магниты
Удалось увеличить площадь граничной зоны между зернами (зерна ~ отдельные кристаллики магнитного материала), уменьшив размер зерен и таким образом подавив уменьшение магнитного потока даже при высокой температуре.


Разница в размере зерен

Этап 2. Получение двухслойной структуры с высокой зернистостью
В обычном неодимовом магните неодим равномерно распределен внутри зерен ферромагнетика. Более того, оказалось, что общее количество неодима больше необходимого для поддержания коэрцитивности (устойчивость к размагничиванию). Увеличение содержания неодима на поверхности зерна, приводит к увеличению коэрцитивности, что также позволяет уменьшить общее количества неодима, используемого в новом магните, без потери эффективности.

Этап 3. Удельное соотношение компонентов лантана и церия
Удалось снизить концентрацию неодима с помощью добавок лантана и церия, при сохранении той же эффективности, что и обычные магниты. Лантан и церий стоят менее 10$ за 1 кг, что достаточно недорого для редкоземельных элементов. Однако при текущей разнице цен, если содержание неодима уменьшится на 10%, это не приведет к существенному выигрышу. Поэтому, скорее всего, новая технология понадобится, когда спрос на неодим будет расширяться и цена будет расти.


Схематическое изображение зерен поликристалла (из пресс-релиза Toyota)


SEM зерен поликристалла (из пресс-релиза Toyota )


Сравнение производительности. Даже при уменьшении содержания неодима на 20% достигается такая же эффективность, как и у обычных магнитов при высокой температуре (из пресс-релиза Toyota).

Примечания:
  • перевод не дословный
  • добавлены отсутствующие части из пресс-релиза
  • Up. поменял название по мотивам комментария. Стало сеошно, но чуть точнее.


Пожалуйста пишите об ошибках.
Поделиться публикацией
Ой, у вас баннер убежал!

Ну. И что?
Реклама
Комментарии 13
  • +3
    Это явление возникает, когда магнитный поток вызывает флуктуацию или инверсию магнитного момента.

    При возникновении этого явления…
    Микронизация зерен, составляющих магниты

    Уменьшение размера зерен,…
    При изготовлении магнитов частицы были получены путем спекания.

    Зерна получаются при спекании магнитов.
    и т.д.
    Такое впечатление вы не понимаете о чём пишите.
    • +1
      Однозначно. Еще один пример:
      удалось увеличить промежуток между частицами, уменьшив размер частиц

      Удалось увеличить не промежуток, а площадь контакта, то есть ровно обратный параметр.
      • 0
        Спасибо! Это перевод. Тема довольно интересная — еще один вариант проблем, в которые электромобили могут упираться по материалам — очень интересно перевести, но не моя специальность. К сожалению после нескольких правок чужого текста, глаза замыливаются.
        • +1
          Мммм… а зачем тогда переводить? Чтобы еще больше всех запутать :) Я читал Этап 2 и долго вкуривал что-же хотели сказать. А должно быть так(хотя тоже шлифовать надо):

          В обычном неодимовом магните неодим равномерно распределяется в объёме магнита, но участвует в создании магнитного поля только неодим располагающийся на поверхности зерен. Концентрация неодима на поверхности зерна, не только приводит к увеличения коэрцитивной силы, но и позволяет уменьшить количества неодима используемого в магните без потери эффективности.
          • +1
            Причин может быть несколько.
            • интерес
            • разобраться в неизвестной теме
            • развить тему
            • обсудить

            и т.п.
            Вообще это интересная технологическая задача, почему-бы и не перевести?

            но участвует в создании магнитного поля только неодим располагающийся на поверхности зерен.

            Это уже явное измышление, в исходном тексте его нет. Без ссылки или комментария специалиста, не гуд.
      • +3
        А не возникает ощущения, что заголовок и содержания текста несколько не совпадают?
        В заголовке: разрабатывает термостойкий неодимовый.
        В тексте же идёт речь о снижении содержания неодима в магнитах при сохранении термостойкости. Согласитесь — несколько разные вещи?
        • +1
          Не совсем так, проблема именно в том, что наиболее широко используемые неодимовые магниты при нагреве теряют магнитные свойства. А вот когда добавляют другие элементы — появляется эта термостойкость. Посмотрите второе видео, там это сразу заметно (добавил подпись к видео, для понимания).
          • 0
            Так принято, потому что основа железо, но дополнение неодимом существенно увеличивает магнитные свойства. А лантан и церий не повышают магнитные свойства.
            Как обычно, неизвестно чего хотели получить, получили термостойкость и плюсом снижение содержания неодима. Правда из графика видно, что изменения в процентах или вообще в долях.
          • +3
            С другой стороны, неодимовые магниты обладают серьезным недостатком, что магнитное поле ослабевает по мере повышения температуры.


            Всё-таки неточность — это общее свойство для вообще всех ферромагнитных материалов. Другое дело, что у неодимовых очень низкая критическая температура — многие сплавы даже в горячей воде можно размагнитить. У железа же около 770 градусов Цельсия, у никеля в районе 350.
            • –1
              Может имеет смысл собирать старые HDD на уровне организаций?
              • +2
                Полуоффтоп конечно, но с удивлением обнаружил что в продаже есть неодимовые магниты такого размера:
                • +1

                  А тонкое напольное покрытие неожиданно оказалось уложенным металлический пол.
                  Из собственного опыта — не помню зачем, но купил магнит ( ~ 40 кг. удержание), кинул его в задний карман джинсов. Пришёл домой, открыл наружную дверь, пока открывал внутреннюю, наружная стальная подкралась к этому самому заднему карману. Ну а дальше была непереводимая экспрессивная игра слов и гимнастических упражнений.

                  • +1
                    По моим прикидкам, масса этих магнитов должна быть не меньше 10 кг, а они их крутят, как консервную банку с тушёнкой. Либо это магнитная сборка, либо вообще фейк. Я бы, как представитель фирмы, которая плотно занимается с магнитами, к неодимовому магниту такого размера (если он намагничен до насыщения) ближе чем на 1 метр не подходил — вдруг полетит чего.
                    Кстати, о намагничивании: намагнитить такой магнит тоже большая проблема. Очень большая энергетика. У нас есть намагничивающая установка для объёма около 500 см³ (хотя больше 200-300 см³ обычно не намагничиваем за-за неравномерности поля на краях рабочего объёма) представляет из себя шкаф 2*2*2 м с подключённой к нему катушкой из медной трубки с водяным охлаждением. Магнитик из видео можно намагнитить, разве что сверхпроводниковой катушкой.

                  Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                  Самое читаемое