211service.com
Nowe magnesy mogą rozwiązać nasze problemy związane z pierwiastkami ziem rzadkich
Silniejsze i lżejsze magnesy mogą wejść na rynek w ciągu najbliższych kilku lat, umożliwiając wydajniejsze silniki samochodowe i turbiny wiatrowe. Naukowcy potrzebują nowych materiałów, ponieważ dzisiejsze najlepsze magnesy wykorzystują metale ziem rzadkich, których podaż staje się zawodna nawet w miarę wzrostu popytu.
Dlatego naukowcy pracują obecnie nad nowymi typami magnesów nanostrukturalnych, które wykorzystywałyby mniejsze ilości metali ziem rzadkich niż magnesy standardowe. Nadal pozostaje wiele przeszkód, ale GE Global Research ma nadzieję, że w ciągu najbliższych dwóch lat zademonstruje nowe materiały magnetyczne.
Najsilniejsze magnesy opierają się na stopie neodymu z metalu ziem rzadkich, który zawiera również żelazo i bor. Producenci magnesów czasami dodają do tych magnesów inne metale ziem rzadkich, w tym dysproz i terb, aby poprawić ich właściwości. Dostawy wszystkich trzech ziem rzadkich są zagrożone z powodu rosnącego popytu i możliwości, że Chiny, które produkują większość z nich, ograniczą eksport.
Nie jest jednak jasne, czy nowe magnesy trafią na rynek, zanim popyt na metale ziem rzadkich przekroczy podaż. Departament Energii USA przewiduje, że światowa produkcja tlenku neodymu, kluczowego składnika magnesów, wyniesie 30 657 ton w 2015 roku. Scenariusze DOE zawierają pewne domysły, ale najbardziej ostrożne szacunki wskazują, że popyt na neodym przekroczy podaż do około 2020 roku.
Wiele historii o pierwiastkach ziem rzadkich dotyczyło Chin i górnictwa, mówi Steven Duclos, kierownik ds. zrównoważonego rozwoju materiałów w GE Global Research. Wierzymy, że technologia może odegrać rolę w rozwiązaniu tego problemu. DOE finansuje projekt magnesów GE, prowadzony przez naukowców z University of Delaware, w ramach programu Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E), który wspiera badania nad przełomową technologią.
Wymyślanie nowych materiałów magnetycznych nie jest łatwe, mówi George Hadjipanayis , kierownik wydziału fizyki i astronomii na Uniwersytecie Delaware. Hadjipanayis był zaangażowany w rozwój magnesów neodymowych w latach 80., pracując w Kollmorgen. W tym czasie może wszyscy mieliśmy szczęście, mówi o początkowym rozwoju magnesów neodymowych. Sposób, w jaki badacze wytwarzali nowe magnesy w przeszłości, polegał na krystalizacji stopów i poszukiwaniu nowych form o lepszych właściwościach. Takie podejście nie zadziała w przyszłości. Wydajność magnesów neodymowych spadła, mówi Frank Johnson, który kieruje programem badań nad magnesami w GE. Hadjipanayis zgadza się. Nadzieją są teraz nanokompozyty, mówi.
Nanokompozytowe materiały magnetyczne składają się z nanocząstek metali występujących we współczesnych stopach magnetycznych. Kompozyty te zawierają na przykład nanocząstki na bazie neodymu zmieszane z nanocząstkami na bazie żelaza. Te nanostrukturalne regiony w magnesie oddziałują w sposób, który prowadzi do lepszych właściwości magnetycznych niż te występujące w konwencjonalnych stopach magnetycznych.
Zaleta nanokompozytów dla magnesów jest dwojaka: nanokompozyty mają być silniejsze niż inne magnesy o podobnej masie i powinny wykorzystywać mniej metali ziem rzadkich. To, co umożliwia lepsze właściwości magnetyczne tych nanokompozytów, to właściwość zwana sprzężeniem wymiennym. Fizyka jest złożona, ale sprzężenie różnych nanocząstek w kompozycie prowadzi do ogólnych właściwości magnetycznych, które są większe niż suma części.
Sprzężenie wymiany nie może wystąpić w czystych materiałach magnetycznych, ale pojawia się w kompozytach wykonanych z mieszanin nanocząstek tych samych metali, które są używane do wytwarzania konwencjonalnych magnesów. Zaletą silniejszych magnesów jest to, że maszyny, w których je umieszczasz, mogą być mniejsze i lżejsze, mówi Johnson.
GE nie ujawni, jakich materiałów używa do produkcji magnesów ani jakie byłyby metody ich produkcji, ale Johnson twierdzi, że firma będzie polegać na opracowanych przez siebie technikach pracy z innymi metalami. Głównym problemem, przed którym stoi firma, mówi Johnson, jest zwiększenie produkcji w celu wytwarzania dużych magnesów – do tej pory możliwe było tylko tworzenie cienkich warstw nanokompozytów. Firma ma około 2,25 miliona dolarów finansowania z ARPA-E.
Hadjipanayis donosi, że jego grupa, wieloinstytutowe konsorcjum, otrzymała prawie 4,5 miliona dolarów finansowania ARPA-E. W laboratorium można wytworzyć niezbędne nanocząstki w małych ilościach, ale zwiększenie skali będzie trudne. To bardzo reaktywne materiały, mówi.
Grupa eksperymentuje z szeroką gamą różnych typów nanocząstek, w tym z kombinacjami nanocząstek neodymowych z nanocząstkami żelaza i kobaltu. Kolejnym wyzwaniem jest złożenie nanocząstek w mieszaninę, która zapewni im wystarczający kontakt ze sobą, aby uzyskać sprzężenie wymienne. To krok po kroku, mówi Hadjipanayis.