Наномагниты - экономия редкоземельных металлов

Наномагниты – экономия редкоземельных металлов
Более сильные и легкие магниты могут выйти на рынок уже в ближайшие несколько лет,
делая возможным производство эффективных автомобильных двигателей и ветряных
турбин. Необходимость разработки нового материала обусловлена тем, что лучшие из
существующих на данный момент магнитов изготовлены из редкоземельных металлов,
поставка которых остается ненадежной даже в условиях растущего спроса.
Сегодня исследователи работают над новыми типами наноструктурированных магнитов, в
которых будет использоваться меньшее количество редкоземельных металлов по
сравнению с обычными магнитами. Многие моменты еще требуют доработки, и, тем не
менее, сотрудники GE Global Research надеются продемонстрировать новые материалы
для магнитов в течение ближайших двух лет.
Самые мощные из существующих сегодня магнитов обязаны своими свойствами наличию
в них сплава редкоземельного металла неодима (в составе которого присутствуют также
железо и бор). Иногда с целью улучшения свойств магнита производители добавляют в
сплав другие редкоземельные металлы, в том числе диспрозий и тербий. Поставки всех
трех из этих редких металлов находятся под угрозой из-за растущего спроса и
возможности ограничения экспорта основной страной-производителем – Китаем.
Все еще неясно, успеют ли новые магниты выйти на рынок прежде, чем спрос на
редкоземельные металлы превысит их предложение. По прогнозам Министерства
энергетики США (DOE) всемирное производство окиси неодима (ключевого компонента
магнитов) в 2015 году составит 30 657 тонн. Согласно одному из сценариев все того же
Министерства энергетики спрос на этот металл в 2015 году окажется слегка выше
означенной цифры. Конечно, в сценариях DOE присутствует элемент догадки, однако
даже по самым скромным подсчетам спрос на неодим превысит предложение уже к 2020
году.
"До сих пор разговоры о редкоземельных металлах крутились вокруг Китая и разработки
месторождений", – заметил Стивен Дюкло, специалист по устойчивости материалов в GE
Global Research. – "Мы верим, что наша технология способна повлиять на решение этого
вопроса". Министерство энергетики США финансирует «магнитный проект» GE, а также
проект исследователей из университета штата Делавэр в рамках программы Управления
перспективных исследовательских проектов-Энергия (ARPA-E), стимулирующей
исследования в области революционных технологий.
"Работа над новыми магнитными материалами – отнюдь не из легких", – поделился
Джордж Хаджипанаис (Hadjipanayis), декан Факультета физики и астрономии
Университета штата Делавэр. Впервые Джордж занялся разработкой неодимовых
магнитов в 1980-х годах, во время работы в Kollmorgen. "В тот раз нам, возможно, просто
повезло", – говорит он о первоначальной разработке магнитов.
Тогда для создания нового магнита исследователи использовали кристаллизацию сплавов
с последующим поиском новых форм с улучшенными свойствами. Однако в дальнейшем
этот подход использоваться не будет. "Производительность неодимовых магнитов
исчерпала себя", – поясняет Фрэнк Джонсон, ведущий специалист по «магнитным»
исследованиям в рамках программы GE. И Хаджипанаис с ним согласен. "Теперь вся
надежда на нанокомпозиты", – заключил он.
Нанокомпозитные магнитные материалы состоят из наночастиц металлов,
присутствующих в сегодняшних магнитных сплавах. Эти композиты, к примеру,
включают смесь наночастиц неодима с наночастицами железа. Результатом
взаимодействия таких наноструктурированных фрагментов магнита становится усиление
его магнитных свойств по сравнению с обычными магнитными сплавами.
Преимущество использования нанокомпозитов имеет два аспекта: они позволяют усилить
магнит, не увеличивая его веса, и для них требуется меньшее количество редкоземельных
металлов. Улучшение магнитных свойств в этих нанокомпозитах объясняется свойством,
называемым обменной связью (синергетическим взаимодействием). Упрощая сложный
физический процесс, можно сказать, что связь между отдельными наночастицами в
композите приводит к появлению магнитные свойств более сильных, чем сумма свойств
отдельных его компонентов.
Обменной связи между чистыми материалами магнита не существует, однако она
появляется в композитах, составленных из смеси наночастиц тех же металлов, что
используются и для обычных магнитов. "Преимущество сильных магнитов в том, что их
можно поместить в меньшие и более легкие механизмы", – пояснил Джонсон.
GE не планирует раскрывать названия конкретных используемых материалов или
приводить методы производства, однако, по словам Джонсона, компания будет опираться
на технологии, разработанные для других металлов. Сейчас основная задача компании –
расширить метод для применение его в производстве больших магнитов – пока что он
работает только для тонких слоев нанокомпозитов. На дальнейшую разработку компания
получила от ARPA-E финансирование в размере 2,25 млн. долл. США.
Группа исследователей Университета штата Делавэр, в свою очередь, получила на
разработку почти 4,5 млн. долл. США (финансирование ARPA-E). Необходимые
наночастицы можно создавать в небольших количествах в лаборатории, но увеличить
масштаб их производства достаточно трудно. "Эти вещества отличаются очень высокой
химической активностью", – пояснил Джордж Хаджипанаис.
Группа экспериментирует с широким спектром различных видов наночастиц, в том числе
с комбинациями из наночастиц неодима и железокобальтового сплава. Еще одна проблема
заключается в необходимости расположить наночастицы в смеси таким образом, чтобы
они находились в достаточно тесном контакте для появления обменной связи.
Хаджипанаис заверяет, что это вопрос времени, и постепенно все у них получится.
FacePla.net