Неодимовые магниты используются для различных двигателей, таких как высокомощные двигатели, в электромобилях, которые, как ожидается, в будущем будут интенсивно развиваться. Toyota собирается уменьшить количество неодима (Nd, редкоземельный элемент), разработав новый теплостойкий магнит с пониженным содержанием неодима. (пресс-релиз Toyota от 20 февраля).

Предположительно

Toyota таким образом пытается обойти зависимость от китайских редкоземельных элементов для своих электромобилей.

Это исследование проведено в рамках проекта NEDO «Разработка технологии магнитных материалов для высокоэффективных двигателей автомобилей нового поколения».

Предыстория вопроса

В гибридных автомобилях и электромобилях важно разрабатывать не только аккумуляторы, но и высокопроизводительные моторы. Чем выше плотность магнитного потока магнита, тем выше производительность двигателя. А так как сплав неодима с железом и бором (Nd₂Fe₁₄B) обеспечивает самую высокую плотность магнитного потока, в настоящее время он является основным ферромагнетиком в электродвигателях электромобилей.

Модель электродвигателя с ниодиумовым магнитом (слева).

С другой стороны, неодимовые магниты обладают серьезным недостатком, что магнитное поле ослабевает по мере повышения температуры*. Если добавить к неодиму тербий (Tb) или диспрозий (Dy), то можно подавить снижение магнитного потока.

Ниодиумовый магнит (справа) теряет магнитные свойства при увеличении температуры.

Несмотря на то, что неодимовый магнит с добавкой тербия и диспрозия не подвержен недостатку, сложность состоит в том, что диспрозий и тербий — редкоземельные элементы и относительно дороги (цена 1 кг ~ 561$, диспрозия 1 кг ~ 234$ на декабрь 2017 года). Сам неодим недорогой (1 кг ~ 47$), однако существует опасение, что его будет недостаточно по мере увеличения спроса. Более того, проблема заключается еще и в том, что высока доля импорта из Китая ниобия и других редкоземельных элементов в целом. В связи с этим необходимо разрабатывать высокопроизводительные магниты, который использует как можно меньше элементов тербий-диспрозий-неодим.

Направление развития магнитов. С 4-м поколением Prius и Prius второго и третьего поколений (из пресс-релиза Toyota)

Этапы развития технологии

Этап 1. Уменьшение размеров зерен, составляющих магниты

Удалось увеличить площадь граничной зоны между зернами (зерна ~ отдельные кристаллики магнитного материала), уменьшив размер зерен и таким образом подавив уменьшение магнитного потока даже при высокой температуре.

Разница в размере зерен

Этап 2. Получение двухслойной структуры с высокой зернистостью

В обычном неодимовом магните неодим равномерно распределяется внутри зерен магнита, и во многих случаях используется больше необходимого количества неодима для поддержания коэрцитивности (устойчивость к размагничиванию). Увеличение содержания неодима на поверхности относительно всего объема зерна, приводит к увеличения коэрцитивности. Этот эффект позволяет уменьшить общее количества неодима, используемого в новом магните, без потери эффективности.

Этап 3. Удельное соотношение компонентов лантана и церия

Удалось снизить концентрацию неодима с помощью добавок лантана и церия, при сохранении той же эффективности, что и обычные магниты. Лантан и церий стоят менее 10$ за 1 кг, что достаточно недорого для редкоземельных элементов. Однако при текущей разнице цен, если содержание неодима уменьшится на 10%, это не приведет к существенному выигрышу. Поэтому, скорее всего, новая технология понадобится, когда спрос на неодим будет расширяться и цена будет расти.

Схематическое изображение зерен поликристалла (из пресс-релиза Toyota)

SEM зерен поликристалла (из пресс-релиза Toyota)

Сравнение производительности. Даже при уменьшении содержания неодима на 20% достигается такая же эффективность, как и у обычных магнитов при высокой температуре. (из пресс-релиза Toyota)

Примечания:

• перевод не дословный
  
• добавлены отсутствующие части из пресс-релиза
  
• Up. поменял название по мотивам комментария. Стало сеошно, но чуть точнее.