Nye alternativer kan lette efterspørgslen efter sjældne jordarters permanente magneter

Fra computerharddiske og smartphones til øretelefoner og elektriske motorer, magneter er på forkant med nutidens teknologi. Magneter indeholdende sjældne jordarters elementer er blandt de mest kraftfulde tilgængelige, gør det muligt for mange hverdagsgenstande at blive stadig mindre. Men sjældne jordarters grundstoffer kan være svære at opnå, givet enten deres knaphed eller de udfordrende geopolitiske klimaer i nogle af de nationer, hvor de udvindes. Nu, Forskere har identificeret magneter baseret på lettere tilgængelige sjældne jordarter, samt nogle lovende magneter, der slet ikke indeholder disse materialer.

Forskerne vil præsentere deres resultater i dag på American Chemical Society (ACS) National Meeting &Exposition forår 2019.

"Vi har udviklet nye måder til bedre at forudsige, hvilke materialer der gør gode magneter, siger Thomas Lograsso, Ph.D., der ledede holdet. "Eksperimentelt, vi kan 'rehabilitere' nærmagnetsystemer, kaldet paramagneter. Vi starter med legeringer eller forbindelser, der har alle de rigtige egenskaber til at være ferromagnetiske ved stuetemperatur. Mange gange, disse materialer har høje andele af jern eller kobolt."

Paramagneter er materialer, der er svagt tiltrukket af et magnetfelt og ikke er permanent magnetiseret. Men ved at tilføje legeringer, paramagneter er blevet omdannet til ferromagneter, eller almindelige permanente magneter, som metaloverfladen på et køleskab. Lograssos team på Critical Materials Institute ved Ames Laboratory har identificeret to lovende kandidater indtil videre ved at bruge denne "rehabiliterende" tilgang, og begge er former for ceriumkobolt:CeCo ₃ og CeCo ₅ . Selvom cerium kaldes et sjældent jordarters grundstof, det er meget rigeligt og nemt at få.

Tidligere arbejde på CeCo ₃ viste, at den udviste klassisk paramagnetisk adfærd. Beregninger forudsagde, at ved at tilføje magnesium, paramagnetisk CeCo ₃ kunne omdannes til en ferromagnet. Disse forudsigelser er blevet eksperimentelt valideret, Lograsso siger, og denne egenskab er blevet observeret i målinger af enkeltkrystaller af forbindelsen.

CeCo ₅ er en stærk ferromagnet. Forskerne kombinerede teoretiske beregninger med high-throughput-eksperimenter for at nulstille den nøjagtige mængde kobber og jern til at tilføje, som ville optimere forbindelsens ferromagnetisme. Med disse tilsætningsstoffer, teamet forventer, at CeCo ₅ kunne en dag bruges i stedet for de stærkeste sjældne jordarters magneter, der indeholder neodym (Nd) og dysprosium (Dy), dermed lette efterspørgslen efter disse kritiske elementer. Lograsso og kolleger fortsætter med at undersøge andre lignende metaller, der kan tilføjes til CeCo ₅ for yderligere at forbedre dens egnethed som en levedygtig erstatning for Nd- og Dy-magneter.

"Erstatning af sjældne jordarters magneter, der er meget efterspurgt, ville være ideelt, både økonomisk og miljømæssigt, " siger Lograsso. "Selvom vores modificerede cerium-koboltforbindelser ikke er så kraftige som sjældne jordarters magneter, de kan stadig være meget værdifulde til visse kommercielle anvendelser. Så, vores mål er at matche det rigtige magnetmateriale til en specifik applikation - en såkaldt 'Goldilocks' ikke-sjældne jordarters magnet."

Til det formål, gruppen fortsætter med at bruge deres strategi til at optimere nøgleegenskaberne ved dårlige magneter eller ikke-magneter for at omdanne dem til alternativer, der er fuldstændig fri for sjældne jordarters elementer. For eksempel, de bruger nu kobolt til at optimere ydeevnen af ​​jerngermanium, Fe ₃ Ge. Den resulterende forbindelses høje magnetisering er sammenlignelig med de bedste Nd-baserede magneter. Denne strategi er ikke kun begrænset til Fe ₃ Ge og bliver anvendt til andre lovende sjældne jordarters frie forbindelser for selektivt at forbedre magnetegenskaber.