《全球铁合金网》2021-8-17:据外媒报道,匹兹堡大学(Pitt)斯旺森工程学院的研究人员正在与俄亥俄州的一家纳米材料和先进材料研发公司Powdermet公司合作,开发一种无稀土矿物的电动马达。
大多数电动汽车的电机依赖于稀土金属制成的永磁体,稀土金属是一种有限的资源。除了它们的稀缺性之外,开采和加工这些材料还会产生环境问题,留下大量的有毒废物。报道指出,价格波动是另一个令人担忧的问题。为了满足不断增长的市场需求,设计不含稀土金属的电机是至关重要的一步,特别是对可持续供应链而言。
这个由粉末金属主导的项目希望创造出一种电动机器,它使用由更丰富的金属制成的永磁体,而不是稀土金属。该项目最近获得了美国能源部(DOE)20万美元的资助,允许Powdermet公司将美国能源部艾姆斯实验室关键材料研究所(CMI)开发的锰铋基(锰铋)永磁材料商业化。
在2019年发表于《材料学报》(Acta Materialia)的一篇论文中,艾姆斯的研究人员描述了他们在优化锰铋材料成分方面所做的努力:
MnBi材料成本低,磁晶各向异性高(1.6×106 J m−3),室温磁化强度好(81 emu g−1),是一种极具吸引力的无稀土永磁材料。尽管20 MGOe的理论最大能量积(BH)max低于ndfeb基磁体,但MnBi的低温相(LTP)具有正的矫顽力温度系数,最高可达200℃,这使其成为高温应用如永磁电机的潜在候选对象。
然而,MnBi化合物的氧敏感性和Mn与Bi的包晶反应使其难以合成高纯度的材料。通过向合金中添加过量的Mn,可以部分抵消这一挑战,在采用电弧熔炼、铸造、熔体纺丝和球磨等常见工艺后,合金成分接近Mn55Bi45,饱和磁化强度达到最高。
在这里,我们报告了一个系统的过程,以减少过量的Mn数量,同时提供一个大的饱和磁化(MS)79 emu g−1在300 K退火Mn52Bi48带。在300 K的9 T磁场作用下,得到的磁粉为0.5~5µm,MS为75.5 emu g−1,矫顽力Hci为10.8 kOe,(BH)max为13 MGOe。在不同的球磨粉上进行二次退火处理,Hci提高了21%,MS也提高了78.8 emu g−1。
在皮特大学,这项工作将由机械工程和材料科学副教授保罗·奥霍德尼奇(Paul Ohodnicki)和伊顿学院研究员、电子和计算机工程助理教授布兰登·格兰杰(Brandon Grainger)领导。皮特团队将一起使用ANSYS MotorCAD对利用新型磁性材料的电机设计进行基准测试。
永磁体用于电动机,因为即使在相反的磁场存在的情况下,永磁体也能产生并保持强磁场,而电磁铁则需要电流。使用替代材料,如由艾姆斯实验室开发的基于mnbi的永磁体,来制造永磁体来代替钕和镝等稀土金属,将使电动汽车更便宜、更容易获得和可持续,并将帮助美国成为电动汽车市场的领导者。
—Paul Ohodnicki
Powdermet是先进磁学电力和能源开发(AMPED)联盟的行业参与者,该联盟是由匹兹堡大学的Ohodnicki主任和Grainger副主任领导的研究联盟。AMPED包括皮特的几所学校、卡内基梅隆大学、北卡罗来纳州立大学、国家实验室和行业合作伙伴,汇集跨学科技能,非常适合电力电子和电力转换系统的磁性材料的研究和开发。
Resources
Brandt A.Jensen,Wei Tang,Xubo Liu,Alexandra I.Nolte,Gaoyuan Ouyang,Kevin W.Dennis,Jun Cui,(2019)“Optimizing composition in MnBi permanent magnet alloys,”Acta Materialia,Volume 181,Pages 595-602 doi:10.1016/j.actamat.2019.10.003
Cui,J.;Choi,J.P.;Li,G.;Polikarpov,E.;Darsell,J.;Kramer,Matthew J.;Zarkevich,Nikolai A.;Wang,Linlin;Johnson,Duane D.;Marinescu,M.;Huang,Q.Z.;Vuong,N.V.;and Liu,J.Ping,(2014)“Development of MnBi permanent magnet:Neutron diffraction of MnBi powder”Ames Laboratory Publications.244.https://lib.dr.iastate.edu/ameslab_pubs/244