晏成和
特斯拉汽车的磁性新材料
2023-3-8 18:17
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  不用稀土的永磁材料

                           晏成和      

在一场世纪博弈当中,美国对中国进行芯片封锁。中国反制的武器是稀土,为此,专门成立中国稀土集团,严控稀土的出口,以此制衡美国。正所谓,你有芯片牌,我有稀土牌。

3月2日,特斯拉动力总成工程的副总裁宣布,特斯拉有了重大技术突破,下一代的永磁电机将完全不使用稀土,而且能够做到不损失能效,还能降低成本。令稀土牌非常被动!那么,特斯拉电机是什么路子?

电动汽车的动力核心是电动机,常规电机一般有定子和转子。定子提供磁场推动转子旋转、带动车轮旋转形成电动汽车的飞驰,所以定子所必备的强磁场非常关键。在奥斯特实验中,我们知道由直流电能够产生磁场,进一步分析发现:是电子的运动产生了磁场。

电机的磁场有两个来源:一个是用宏观的直流电形成磁场,叫做电磁,必须通电、用电流产生磁场,因为耗费电能基本被淘汰;还有利用材料微观的电子运转所形成的磁场,即材料自身所具有的磁性(如,吸铁石)形成磁场,这个磁场是“永远”存在,所以叫做永磁,这样的电机称为永磁电机,构成永磁电机的核心是永磁材料。

电动汽车的动力核心是永磁电机,永磁材料的原理、配方、制造工艺亦成为学术、技术的关键。我之前的文章《磁性来自哪里?》说到:大自然有100多种元素,能够被磁化、能够显示宏观磁性的只有铁、钴、镍及几种稀土。这些材料的共同特征都是二价过度元素,是磁性材料的身份证,是大自然向我们提供的内部资料,是科学探案的关键线索,揭示了产生磁性的内在原因。

“二价”告诉我们,原子有两个价电子,两个价电子能够构成两个结构元,或两两连环的结构元,如图(菱形表示电子运动所在平面)。其中的一个结构元必须与另一连环的结构元相互平行、定位,即图中左、右两个A结构元在实体中必须是平行、靠近,所产生的磁力NS相互吸引、构成了金属晶体结构。而连环中另一结构元B在构成晶体结构中不起决定性的作用,尾随在A的一边,可以随外(磁场)力摆动。

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 本来连环中的所有结构元完全一样,只是所处的位置不同,我们把可以环绕中间核心随机摆动的B叫做尾结构元(简称:尾结)。一般主结各向均布、构成整齐的金属晶体,尾节随机、这时的二价金属不显磁性。

当这样的二价金属在受到外磁场的作用时,其可以摆动的尾结顺应外磁场、在外磁场力作用下摆动、调整到相适应的方向,形成许多平行的尾节,其运转构成同向的价磁力。于是这样的二价金属能够被外磁场吸引;当外磁场撤去以后,这些尾结的价和电子保持其原来与外磁场相适应的运动惯性和平行同向的方位,于是尾结的电磁力构就成了物体的宏观磁性,也就是该二价金属材料被磁化了。也就是尾结方位的调整,其电磁力使物体产生了宏观磁性。如果同向的尾节多、价和电子速率高、该物体的外磁性强;尾节位置稳定不变、则该磁体磁性稳定,构成良好的永磁材料。

稀土里面的铈、镨、镧、钕等元素,是二价金属,能够与铁结合成为稳定、良好的磁性合金,是制造永磁电机的首选材料。当稀土材料稀少、很贵的时候,最好策略是探索永磁形成原理、推出基于其原理的新技术的新材料,直接替代现有材料。能够做到不损失能效,还能降低成本的材料是在周期表中靠近稀土(镧系)左右的二价元素。用这几种元素制造的铁合金,然后以较高的温度、较好的加磁工艺,就能够制造出尾节稳定、价电子速率高(磁性好)的永磁合金。

中国虽然稀土多,也应该研发这种非稀土磁性铁合金。

当然,对中国进行的芯片封锁,也能加速中国对芯片工艺的研发进度。

                 2023/3/7


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