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:
Пожалуйста пишите об ошибках.
- перевод не дословный
- добавлены отсутствующие части из пресс-релиза
- Up. поменял название по мотивам комментария. Стало сеошно, но чуть точнее.
Пожалуйста пишите об ошибках.
hardegor
При возникновении этого явления…
Уменьшение размера зерен,…
Зерна получаются при спекании магнитов.
и т.д.
Такое впечатление вы не понимаете о чём пишите.
An_private
Однозначно. Еще один пример:
Удалось увеличить не промежуток, а площадь контакта, то есть ровно обратный параметр.
ru1z Автор
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.
hardegor
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.
ru1z Автор
и т.п.
Вообще это интересная технологическая задача, почему-бы и не перевести?
An_private
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?
ru1z Автор
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).
hardegor
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.
kbtsiberkin
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.
Diordna
Может имеет смысл собирать старые HDD на уровне организаций?
DmitrySpb79
Полуоффтоп конечно, но с удивлением обнаружил что в продаже есть неодимовые магниты такого размера:
Ugrum
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.