Mejora de imanes de tierras no raras a través del micrófono

Investigadores del Instituto de Materiales Críticos (CMI) del Departamento de Energía y del Laboratorio Nacional Ames han mejorado las propiedades de un material magnético permanente libre de tierras raras y han demostrado que el proceso se puede ampliar para la fabricación. Los investigadores han desarrollado un nuevo método para fabricar imanes de manganeso bismuto (MnBi) basado en la ingeniería de microestructuras. Este proceso es un paso hacia la creación de motores compactos y energéticamente eficientes sin el uso de tierras raras.

Los imanes permanentes de alta potencia son cada vez más importantes para una variedad de tecnologías de energía renovable, incluidas las turbinas eólicas y los vehículos eléctricos. Según el investigador de CMI y científico de Ames Lab, Wei Tang, estos imanes están hechos actualmente de elementos de tierras raras como el neodimio y el disprosio. Sin embargo, explicó que estos artículos escasean y tienen una gran demanda, lo que genera una cadena de suministro poco confiable y precios altos. Una forma de resolver este problema es que los científicos encuentren materiales alternativos como el MnBi utilizado en este estudio.

Los imanes permanentes utilizados para motores requieren una alta densidad de energía o altos niveles de magnetismo y coercitividad. La coercitividad es la capacidad de un imán para mantener su nivel actual de magnetismo a pesar de la exposición a altas temperaturas e influencias externas que pueden desmagnetizarlo.

“Si usamos imanes con una alta densidad de potencia, podemos reducir el tamaño del motor y hacer un motor más compacto”, dijo Tang. “Ahora es muy importante que podamos hacer algunos dispositivos más pequeños y compactos, más eficientes energéticamente”.

El problema con MnBi es que los métodos de fabricación tradicionales requieren mucho calor para convertir los materiales individuales en un gran imán. El calor requerido reduce la densidad de energía del imán. Para resolver este problema, el equipo desarrolló un proceso alternativo.

Tang dijo que comienzan con un polvo muy fino que aumenta el nivel de energía magnética inicial para cada uno de los materiales. Luego, usaron un método de calentamiento muy caliente en lugar de un método de alta temperatura para crear el imán. En última instancia, la clave de su nuevo proceso fue agregar un componente no magnético que evita que las partículas de grano se toquen entre sí. Este elemento adicional, llamado fase límite de grano, proporciona más estructura al imán y evita que el magnetismo que viaja entre partículas/granos individuales interfiera entre sí.

“Es como un material estructural”, dijo Tang. “Es como si estuviéramos usando concreto para construir un muro. Solo con hormigón, es débil, pero si primero le ponemos refuerzo de acero y luego vertemos hormigón, se volverá más fuerte varias decenas de veces”.

El efecto de la temperatura caliente sobre las propiedades magnéticas del MnBi es único. Los investigadores esperaban que la coercitividad y el magnetismo disminuyeran con el aumento de la temperatura, lo cual es cierto para la mayoría de los materiales magnéticos. Sin embargo, para MnBi, la temperatura caliente aumentó la coercitividad y disminuyó la magnetización. Esta mayor coercitividad ayuda a mantener el imán más estable a altas temperaturas que otros imanes conocidos.

El equipo también se centró en fabricar imanes más grandes en comparación con los imanes pequeños que suelen fabricarse en los laboratorios. Las mejoras en los imanes están ayudando a las empresas de fabricación a demostrar que pueden construir imanes grandes a escala comercial.

“Si no podemos hacerlo más grande, no podemos usarlo para ninguna aplicación”, dijo Tang. “Necesitamos un imán grande y necesitamos darle cualquier forma. Además, tenemos que ser capaces de producir en masa a bajo costo. Esto es importante para futuras aplicaciones”.

El equipo está trabajando actualmente con PowderMet Inc. para continuar con la producción en masa de imanes de MnBi para su uso en nuevos motores eléctricos, utilizando sus métodos pendientes de patente. funciona con Este proyecto está financiado por el programa de Investigación de Innovación para Pequeñas Empresas del DOE. El proyecto ahora ha entrado en la Fase II, lo que significa que se ha probado la viabilidad del proyecto y se han asignado fondos adicionales para un mayor desarrollo y demostración de la tecnología.

Este estudio se analiza más adelante en el artículo “Microestructura de ingeniería para mejorar la coercitividad del imán de MnBi a granel”, escrito y publicado por Wei Tang, Gaoyuan Ouyang, Xubo Liu, Jing Wang, Baozhi Cui y Jun Cui. Revista de Magnetismo y Materiales Magnéticos.

los Instituto de Materiales Críticos Dirigido por el Laboratorio Nacional Ames del Departamento de Energía de EE. UU. y respaldado por la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable, es un Centro de Innovación del Departamento de Energía que trabaja para descarbonizar la industria y aumentar la competitividad de los sectores de fabricación y energía limpia de EE. UU. a través de proceso. innovación, colaboración, investigación y desarrollo, asistencia técnica y formación de la mano de obra. CMI busca formas de eliminar y reducir la dependencia de los metales de tierras raras y otros materiales críticos para el éxito de las tecnologías de energía limpia.

Laboratorio Nacional Ames a Departamento de Energía de EE. UU. Departamento de Ciencias Laboratorio Nacional operado por la Universidad Estatal de Iowa. Ames Laboratory crea materiales innovadores, tecnologías y soluciones energéticas. Utilizamos nuestra experiencia, capacidades únicas y colaboración interdisciplinaria para resolver desafíos globales.

El Laboratorio Nacional Ames cuenta con el apoyo de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de los Estados Unidos. La Oficina de Ciencias es el mayor patrocinador individual de la investigación fundamental en las ciencias físicas en los Estados Unidos y trabaja para resolver los problemas más apremiantes de nuestro tiempo. Póngase en contacto para obtener más información https://energy.gov/science.