(a)分别显示粉末中磁性MnBi颗粒/颗粒 。 (b)显示“大块”版本 ， 此时颗粒/颗粒由于形成磁铁的过程中没有添加任何晶界材料而相互接触 。 (c)显示被晶界材料包裹的MnBi晶粒 ， 说明晶粒如何不再接触 。 该图说明了磁铁在块状和粉末相的退磁情况 。
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不含稀土的永磁材料的性能 ， 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结构工程的锰铋（MnBi）磁体制造新方法 。 该工艺朝着制造不使用稀土的紧凑、节能电机的方向迈出了一步 。
大功率永磁体对各种可再生能源技术越来越重要 ， 包括风力涡轮机和电动汽车 。 据CMI研究员、艾姆斯实验室科学家唐伟（音译）介绍 ， 这些磁铁目前是由钕和镝等稀土元素构成的 。 然而 ， 他解释说 ， 这些元素库存低 ， 需求大 ， 导致供应链不可靠 ， 价格高 。 这个问题的一个解决方案是 ， 科学家们找到替代材料 ， 比如这项研究中使用的MnBi 。
用于电机的永磁体需要较高的能量密度 ， 或高水平的磁性和矫顽力 。 矫顽力是磁铁保持其当前磁性水平的能力 ， 尽管暴露在高热和外界影响可能使其失磁 。
【微结构工程改进无稀土磁体】“如果我们使用高功率密度磁铁 ， 我们可以减小电机的尺寸 ， 使电机更紧凑 ， ”唐说 。 “现在非常重要的是 ， 我们可以把一些设备做得更小、更紧凑、更节能 。 ”
MnBi的挑战在于 ， 传统的制造方法需要高温将单个材料转化为一个大磁铁 。 必要的热量降低了磁铁的能量密度 。 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 ， 这增加了起始磁能级 。 接下来 ， 他们使用了一种温暖的加热方法而不是高温方法来形成磁铁 。 最后 ， 他们新工艺的关键是添加一种非磁性成分 ， 以防止颗粒之间相互接触 。 这个额外的元素被称为晶界相 ， 它为磁铁提供了更多的结构 ， 并使磁性流经单个颗粒/晶粒时不会相互影响 。
“它就像结构材料 ， ”唐说 。 “这就像我们用混凝土建造一堵墙 。 混凝土本身很脆弱 ， 但如果我们先在里面放一根钢筋 ， 然后再浇上混凝土 ， 它的强度会是混凝土的几十倍 。 ”
温度对MnBi磁性能的影响是独特的 。 研究人员预计 ， 矫顽力和磁性会随着温度的升高而降低 ， 这对大多数磁性材料来说是正确的 。 而对于MnBi ， 温度升高可提高矫顽力 ， 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 。
该团队还专注于制作更大的磁铁 ， 而不是在实验室中开发的通常较小的磁铁 。 放大磁铁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铁 。
“如果我们不能做出更大的 ， 我们就不能把它用于任意用途 ， ”唐说 。 “我们需要一个大磁铁 ， 我们需要把它做成任何需要的形状 。 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公司合作 ， 利用他们正在申请专利的技术 ， 追求用于新型电机的MnBi磁铁的大规模生产 。 该项目由美国能源部小企业创新研究项目资助 。 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 ， 并已授予额外的资金以进一步开发和演示该技术 。
唐伟、欧阳高远、刘旭波、王晶、崔宝芝、崔军等在《磁性与磁性材料》杂志上发表的论文《提高大块MnBi磁体矫顽力的工程微观结构》进一步讨论了这一研究 。
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