微结构工程改进无稀土磁体

艾姆斯实验室——美国能源部关键材料研究所（CMI）和艾姆斯国家实验室的研究人员改进了一种无稀土永磁材料的性能，并证明该工艺可以扩大生产规模。研究人员提出了一种基于微观结构工程的制造锰铋（MnBi）磁体的新方法。这一过程朝着制造不使用稀土的紧凑节能电机的方向迈出了一步。

高功率永磁体对于各种可再生能源技术（包括风力涡轮机和电动汽车）越来越重要。据CMI研究员、艾姆斯实验室科学家汤伟介绍，这些磁铁目前由钕、镝和其他稀土元素组成。然而，他解释说，这些元素的低库存和高需求导致供应链不可靠，价格高企。解决这个问题的一个办法是，科学家们寻找替代材料，如本研究中使用的MnBi。

电机用永磁体需要高能量密度，或高水平的磁性和矫顽力。矫顽力是磁体保持其当前磁性水平的能力，尽管暴露于高温和外部影响可能会导致其失去磁性。

“如果我们使用高功率密度的磁体，我们可以减小电机的尺寸，使其更紧凑，”唐说。“现在非常重要的是，我们可以使一些设备更小、更紧凑、更节能。”

MnBi面临的挑战是，传统的制造方法需要高温才能将单一材料转化为大磁体。必要的热量降低了磁体的能量密度。为了解决这个问题，团队开发了一个替代流程。

唐说，他们从每种材料的非常细的粉末开始，这增加了初始磁能水平。接下来，他们使用温热方法而不是高温方法来形成磁体。最后，他们新工艺的关键是添加一种非磁性成分，以防止粒子相互接触。这种额外的元素被称为晶界相，它为磁体提供了更多的结构，并使磁性在没有相互影响的情况下流过单个颗粒/晶粒。

“它就像一种结构材料，”唐说。“这就像用混凝土筑墙。混凝土本身很脆弱，但如果我们先在里面放一根钢筋，然后再浇筑混凝土，其强度将是混凝土的几十倍。”

温度对MnBi磁性的影响是独特的。研究人员预测，矫顽力和磁性将随着温度的升高而降低，这对于大多数磁性材料来说是正确的。对于MnBi，温度的升高可以增加矫顽力并降低磁化强度。这种增加的矫顽力有助于使磁体在高温下比其他已知磁体更稳定。

该团队还专注于制造更大的磁体，而不是通常在实验室中开发的更小的磁体。扩大磁体的尺寸有助于向制造公司证明，他们可以在商业规模上制造大型磁体。

“如果我们不能把它做大，我们就不能把它用于任何目的，”唐说。“我们需要一块大磁铁，我们需要把它做成我们想要的任何形状。此外，我们需要能够以低成本大规模生产。这对未来的应用非常重要。”

该团队目前正在与PowderMet合作，利用他们正在申请专利的技术，为新电机量产MnBi磁体。该项目由美国能源部小企业创新研究计划资助。该项目已进入第二阶段，这意味着该项目已被证明是可行的，并已获得额外资金以进一步开发和演示该技术。