新型磁铁可解决稀土问题

新型磁铁可解决稀土问题几年内，磁性更强、重量更轻的磁铁就可以进入市场，用于生产更高效的汽车引擎和风轮机。研究人员需要新型材料，因为目前最好的磁铁使用的是稀土金属。而随着需求的增长，稀土金属的供应正在变得越来越不可靠。因此，研究人员正在研制新型纳米结构的磁铁。与标准磁铁相比，这种磁铁所使用的稀土金属量较少。目前这项研究还存在很多障碍，但美国通用全球研究机构希望在数年内研制出这种新型磁铁材料。最强的磁铁是依赖稀土金属钕的一种合金，也包括铁和硼。磁铁生产商有时候也向这些磁铁中添加包括镝和铽在内的其他稀土金属，以提高其性能。但由于需求增长，加之这三种稀土金属的主要生产国（中国）可能会限制出口，这三种稀土金属的供应目前均面临风险。但是，这种新型磁铁能否在稀土金属需求量超过供应量前进入市场仍就不明朗。美国能源部预测2015年世界范围内氧化钕的产量将达到30657吨。美国能源部的另一种预测显示2015年对这种金属的需求量将略高于该数值。美国能源部的这种预测有一些推测的成分，但最保守的估计是2020年对钕的需求量将超过供应量。美国通用全球研究机构负责采购材料的经理史蒂文·道格拉斯（StevenDuclos）表示：“有关稀土的许多问题都是围绕着中国和采矿这两个字眼。我们相信技术可以帮助解决这个问题。”美国能源部正通过先进研究项目机构—能源（ARPA-E）项目为美国通用公司的这个由特拉华州立大学研究人员倡导的磁铁项目提供资金扶持，鼓励其研究进入破裂性技术领域。特拉华州立大学物理及天文学系的负责人乔治·哈德吉普内斯（GeorgeHadjipanayis）表示：“要研制出新型磁铁材料并不容易。”20世纪80年代在科尔摩根（Kollmorgen）工作期间，哈德吉普内斯曾参与钕磁铁的开发。在谈及钕磁铁的最初开发时，哈德吉普内斯表示：“当时可能我们都非常幸运。”过去，研究人员制造新型磁铁的方式是使合金结晶，探索性能更好的新形式。但是，这种方法无法再向前推进了。领导美国通用磁铁研究项目的弗兰克·约翰逊（FrankJohnson）称：“钕磁铁的性能已经达到了稳定水平”。哈德吉普内斯表示赞同，并称：“现在的希望是纳米复合材料。”纳米复合磁铁材料由在当今磁性合金中发现的金属纳米微粒组成。这些复合材料包括与铁基纳米微粒混合在一起的钕基纳米微粒等物质。磁铁中的这些纳米结构相互作用，使得这种磁铁材料的磁性能优于传统磁性合金的磁性能。用于制造磁铁的这些纳米复合材料的优越性体现在两方面：一方面，利用这些纳米复合材料所制造出来的磁铁比同等重量其他类型磁铁的磁性更强；另一方面，这些纳米复合材料所使用的稀土金属更少。这些纳米复合材料之所以能有更好的磁性是因为一种称为交换耦合的特性。这些纳米复合材料的物理学特性很复杂，但复合材料内各种纳米微粒之间的耦合使得其整体磁性大于各部分磁性的总和。交换耦合无法在纯磁铁材料内发生，而是发生在用于制造传统磁铁的相同金属的纳米微粒混合物中。约翰逊表示：“磁性更强磁铁的优点在于可以使采用这种磁铁的设备变得更小、更轻。”美国通用没有透露其正在采用哪些材料制造磁铁，也没有透露制造方法，但约翰逊表示该公司将依靠其已经开发出来的技术利用其它金属进行研发。约翰逊表示，该公司所面临的主要问题是扩大生产以制造大型磁铁——目前，该公司只能利用这些纳米复合材料制造薄膜磁铁。先进研究项目机构—能源（ARPA-E）为该公司提供的扶持资金约为225万美元。哈德吉普内斯所在的工作组由多个学院组成。哈德吉普内斯称其工作组已经收到先进研究项目机构—能源（ARPA-E）提供的约450万美元的资金扶持。有了这些扶持资金可以在实验室生产少量的必要纳米微粒，但要扩大生产规模很困难。他表示：“这些都是反应性非常强的材料。”该工作组正在利用多种纳米微粒开展实验，包括钕基纳米微粒与铁钴纳米微粒的化合物。该工作组目前所面临的另一个挑战是使这些纳米微粒形成混合物，以确保其能够相互充分接触，进而发生交换耦合。哈德吉普内斯表示：“这只是其中一步。