نیوزویز – محققان مؤسسه مواد حیاتی وزارت انرژی (CMI) و آزمایشگاه ملی Ames خواص یک ماده مغناطیس دائمی کمیاب عاری از زمین را بهبود بخشیده‌اند و نشان داده‌اند که می‌توان این فرآیند را برای تولید افزایش داد. محققان روش جدیدی را برای ساخت آهنرباهای بیسموت منگنز (MnBi) بر اساس مهندسی ریزساختار توسعه داده اند. این فرآیند گامی به سوی ایجاد موتورهای فشرده و کم مصرف بدون استفاده از عناصر کمیاب خاکی است.
آهنرباهای دائمی پرقدرت به طور فزاینده ای برای انواع فناوری های انرژی تجدیدپذیر از جمله توربین های بادی و خودروهای الکتریکی اهمیت دارند. به گفته وی تانگ، محقق CMI و دانشمند آزمایشگاه ایمز، این آهنرباها در حال حاضر از عناصر کمیاب خاکی مانند نئودیمیم و دیسپروزیم ساخته شده اند. با این حال، وی توضیح داد که این اقلام با کمبود عرضه و تقاضای بالا مواجه هستند که منجر به زنجیره تامین غیرقابل اعتماد و قیمت های بالا می شود. یک راه حل برای این مشکل این است که دانشمندان مواد جایگزینی مانند MnBi مورد استفاده در این مطالعه را پیدا کنند.
آهنرباهای دائمی مورد استفاده برای موتورها به چگالی انرژی بالا یا سطوح بالایی از مغناطیس و اجبار نیاز دارند. اجباری توانایی آهنربا برای حفظ سطح فعلی مغناطیس خود علیرغم قرار گرفتن در معرض حرارت زیاد و تأثیرات خارجی است که می تواند آن را مغناطیسی زدایی کند.
تانگ گفت: “اگر از آهنرباهایی با چگالی توان بالا استفاده کنیم، می توانیم اندازه موتور را کاهش دهیم و موتور فشرده تری بسازیم.” در حال حاضر، بسیار مهم است که بتوانیم برخی از دستگاه‌ها را کوچک‌تر، فشرده‌تر و کارآمدتر کنیم.»
چالش MnBi این است که روش‌های تولید سنتی به گرمای زیاد برای تبدیل مواد منفرد به آهنربای بزرگ نیاز دارند. گرمای مورد نیاز چگالی انرژی آهنربا را کاهش می دهد. برای رسیدگی به این مشکل، تیم یک فرآیند جایگزین ایجاد کرد.
تانگ گفت که آنها با یک پودر بسیار ریز برای هر یک از مواد شروع کردند که سطح اولیه انرژی مغناطیسی را افزایش می دهد. سپس از روش گرمایش گرم به جای روش دمای بالا برای تشکیل آهنربا استفاده کردند. در نهایت، کلید فرآیند جدید آنها افزودن یک جزء غیر مغناطیسی برای جلوگیری از تماس دانه ها با یکدیگر بود. این عنصر اضافی که فاز مرزی دانه نامیده می شود، ساختار بیشتری برای آهنربا فراهم می کند و مانع از تداخل مغناطیس در میان ذرات/دانه های منفرد می شود.
تانگ گفت: “این مانند مواد ساختاری است.” «مثل استفاده از بتن برای ساختن یک دیوار است. فقط با خود بتن ضعیف است، اما اگر ابتدا میلگرد فولادی را داخل آن قرار دهیم و سپس بتن را بریزیم، چندین ده برابر قوی تر می شود.
تأثیر دمای بالا بر خواص مغناطیسی MnBi منحصر به فرد است. محققان انتظار دارند که اجبار و مغناطیس با افزایش دما کاهش یابد، که این امر برای اکثر مواد مغناطیسی صادق است. با این حال، برای MnBi، دمای گرم باعث افزایش اجبار و کاهش مغناطیسی می شود. این افزایش اجبار کمک می کند تا آهنربا در دماهای بالا در مقایسه با سایر آهنرباهای شناخته شده پایدارتر بماند.
این تیم همچنین بر ایجاد آهنرباهای بزرگتر از آهنرباهای کوچک معمولی که در آزمایشگاه ها ساخته می شوند، تمرکز کردند. افزایش اندازه آهنرباها به شرکت‌های تولیدی نشان می‌دهد که می‌توانند آهنرباهای بزرگ را در مقیاس تجاری ایجاد کنند.
تانگ گفت: “اگر نتوانیم آن را بزرگتر کنیم، نمی توانیم از آن برای هیچ برنامه ای استفاده کنیم.” ما به یک آهنربای بزرگ نیاز داریم و باید آن را به هر شکلی که لازم است بسازیم. همچنین باید بتوانیم با هزینه کم تولید انبوه کنیم. این برای برنامه های آینده مهم است.”
این تیم در حال حاضر با شرکت PowderMet با استفاده از تکنیک های اختصاصی خود برای ادامه تولید انبوه آهنرباهای MnBi برای استفاده در موتورهای الکتریکی جدید کار می کنند. این پروژه توسط برنامه تحقیقاتی نوآوری کسب و کارهای کوچک DOE تامین مالی شد. این پروژه اکنون وارد فاز دوم شده است، به این معنی که پروژه عملی بودن آن ثابت شده است و بودجه اضافی برای توسعه بیشتر و نمایش فناوری اختصاص داده شده است.
این تحقیق بیشتر در مقاله «ریزساختار مهندسی برای بهبود اجباری آهنربای فله MnBiنوشته شده توسط Wei Tang، Gaoyuan Ouyang، Xubo Liu، Jing Wang، Baozhi Cui و Jun Cui، و منتشر شده در مجله مغناطیس و مواد مغناطیسی.
را موسسه مواد حیاتی یک مرکز وزارت انرژی برای نوآوری انرژی است که توسط آزمایشگاه ملی ایمز وزارت انرژی ایالات متحده رهبری می شود و توسط دفتر فرآیندهای تولید پیشرفته دفتر بهره وری انرژی و انرژی های تجدیدپذیر پشتیبانی می شود و در تلاش برای کربن زدایی صنعت و افزایش رقابت پذیری تولید و تولید است. بخش انرژی پاک ایالات متحده از طریق نوآوری فرآیند، همکاری، تحقیق و توسعه و کمک های فنی و آموزش نیروی کار. CMI به دنبال راه هایی برای حذف و کاهش وابستگی به فلزات خاکی کمیاب و سایر موادی است که برای موفقیت فناوری های انرژی پاک بسیار مهم هستند.
آزمایشگاه ملی ایمز است وزارت انرژی آمریکا دفتر علوم یک آزمایشگاه ملی که توسط دانشگاه ایالتی آیووا اداره می شود. آزمایشگاه ایمز مواد، فناوری ها و راه حل های انرژی نوآورانه ایجاد می کند. ما از تخصص، توانایی های منحصر به فرد و همکاری بین رشته ای خود برای حل مشکلات جهانی استفاده می کنیم.
آزمایشگاه ملی ایمز توسط دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده پشتیبانی می شود. دفتر علوم بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر لطفا مراجعه کنید به https://energy.gov/science.