Неодимовый магнит - Neodymium magnet

Никелированный неодимовый магнит на кронштейне жесткого диска
Кубики из никелированного неодимового магнита
Слева: изображение Nd 2 Fe 14 B, полученное с помощью просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения ; справа: кристаллическая структура с отмеченной элементарной ячейкой

Неодимовый магнит (также известный как NdFeB , NIB , или нео магнит) является наиболее широко используемым типом редкоземельного магнита . Это постоянный магнит выполнен из сплава из неодима , железа и бора с образованием Nd 2 Fe 14 B тетрагональную кристаллическую структуру. Неодимовые магниты, независимо разработанные в 1984 году компаниями General Motors и Sumitomo Special Metals , являются наиболее мощными постоянными магнитами, доступными на рынке. Из-за различных производственных процессов они делятся на две подкатегории: спеченные магниты из NdFeB и связанные магниты из NdFeB. Они заменили другие типы магнитов во многих приложениях в современной продукции, требующей сильных постоянных магнитов, таких как электродвигатели в аккумуляторных инструментах, жестких дисках и магнитных застежках.

История

General Motors (GM) и Sumitomo Special Metals независимо друг от друга открыли соединение Nd 2 Fe 14 B в 1984 году. Исследование было первоначально вызвано высокой стоимостью сырья для постоянных магнитов SmCo , которые были разработаны ранее. GM сосредоточилась на разработке нанокристаллических магнитов из расплава Nd 2 Fe 14 B, в то время как Sumitomo разработала спеченные магниты полной плотности из Nd 2 Fe 14 B. GM коммерциализировала свои изобретения изотропного порошка Neo, связанных неомагнитов и связанных производственных процессов, основав Magnequench в 1986 году (с тех пор Magnequench стала частью Neo Materials Technology, Inc., которая позже объединилась с Molycorp ). Компания поставляла формованный из расплава порошок Nd 2 Fe 14 B производителям магнитов на связке. Завод Sumitomo стал частью Hitachi Corporation и производил, но также выдавал лицензии другим компаниям на производство спеченных магнитов Nd 2 Fe 14 B. Hitachi имеет более 600 патентов на неодимовые магниты.

Китайские производители стали доминирующей силой в производстве неодимовых магнитов, поскольку они контролируют большую часть мировых рудников по добыче редкоземельных металлов.

США Министерство энергетики определила необходимость поиска заменителей для редкоземельных металлов в постоянной технологии магнита и финансировал такие исследования. Агентство перспективных исследовательских проектов в области энергетики спонсировало программу «Альтернативы редкоземельных элементов в критических технологиях» (REACT) для разработки альтернативных материалов. В 2011 году ARPA-E выделило 31,6 миллиона долларов на финансирование проектов по замене редкоземельных элементов. Из-за его роли в постоянных магнитах, используемых для ветряных турбин , было высказано мнение, что неодим станет одним из основных объектов геополитической конкуренции в мире, работающем на возобновляемых источниках энергии . Но эта точка зрения подвергалась критике за непризнание того, что в большинстве ветряных турбин не используются постоянные магниты, и за недооценку силы экономических стимулов для расширения производства.

Состав

Неодим - это металл, который имеет магнитные порядки только ниже 19 К (-254,2 ° C; -425,5 ° F), где он развивает сложные антиферромагнитные порядки. Однако соединения неодима с переходными металлами, такими как железо, могут иметь ферромагнитный порядок с температурами Кюри намного выше комнатной, и они используются для изготовления неодимовых магнитов.

Сила неодимовых магнитов является результатом нескольких факторов. Наиболее важным является то, что тетрагональная кристаллическая структура Nd 2 Fe 14 B имеет исключительно высокую одноосную магнитокристаллическую анизотропию ( H A ≈ 7 Тл - напряженность магнитного поля H в единицах А / м в зависимости от магнитного момента в А · м 2 ). Это означает, что кристалл материала предпочтительно намагничивается вдоль определенной оси кристалла, но очень трудно намагничивать в других направлениях. Как и другие магниты, сплав неодимового магнита состоит из микрокристаллических зерен, которые выровнены в мощном магнитном поле во время производства, поэтому все их магнитные оси направлены в одном направлении. Сопротивление кристаллической решетки изменению направления намагничивания придает соединению очень высокую коэрцитивную силу или сопротивление размагничиванию.  

Атом неодима может иметь большой магнитный дипольный момент, потому что в его электронной структуре 4 неспаренных электрона, в отличие от (в среднем) 3 в железе. В магните именно неспаренные электроны, выровненные так, что их спин находится в одном направлении, создают магнитное поле. Это дает соединению Nd 2 Fe 14 B высокую намагниченность насыщения ( J s ≈ 1,6 Тл или 16 кГс ) и остаточную намагниченность, как правило, 1,3 Тл. Следовательно, поскольку максимальная плотность энергии пропорциональна Дж / с 2 , эта магнитная фаза имеет потенциал для накопления большого количества магнитной энергии ( BH max  ≈ 512 кДж / м 3 или 64 МГ · э ). Это значение магнитной энергии примерно в 18 раз больше, чем у «обычных» ферритовых магнитов по объему и в 12 раз по массе. Это свойство магнитной энергии выше у сплавов NdFeB, чем у самариево-кобальтовых (SmCo) магнитов, которые были первым типом редкоземельных магнитов, которые были коммерциализированы. На практике магнитные свойства неодимовых магнитов зависят от состава сплава, микроструктуры и технологии изготовления.     

Кристаллическую структуру Nd 2 Fe 14 B можно описать как чередующиеся слои атомов железа и соединения неодима и бора. В диамагнитных атомов бора не вносят непосредственный вклад в магнетизм , но улучшают сцепление сильной ковалентной связи. Относительно низкое содержание редкоземельных элементов (12% по объему, 26,7% по массе) и относительное содержание неодима и железа по сравнению с самарием и кобальтом делает неодимовые магниты более дешевыми, чем самарий-кобальтовые магниты .

Характеристики

Неодимовые магниты (маленькие цилиндры) поднимают стальные сферы. Такие магниты легко поднимают вес, в тысячи раз превышающий их собственный.
Феррожидкость на стеклянной пластине отображает сильное магнитное поле неодимового магнита под ней.

Оценки

Неодимовые магниты классифицируются в соответствии с их максимальным энергетическим произведением , которое относится к выходному магнитному потоку на единицу объема. Более высокие значения указывают на более сильные магниты. Для спеченных магнитов NdFeB существует широко признанная международная классификация. Их значения варьируются от 28 до 52. Первая буква N перед значениями является сокращением от неодима, что означает спеченные магниты NdFeB. Буквы, следующие за значениями, указывают на внутреннюю коэрцитивную силу и максимальные рабочие температуры (положительно коррелированные с температурой Кюри ), которые варьируются от значений по умолчанию (до 80 ° C или 176 ° F) до AH (230 ° C или 446 ° F).

Марки спеченных магнитов NdFeB:

  • N30 - N52
  • Н30М - Н50М
  • N30H - N50H
  • Н30Ш - Н48Ш
  • N30UH - N42UH
  • N28EH - N40EH
  • N28AH - N35AH

Магнитные свойства

Некоторые важные свойства, используемые для сравнения постоянных магнитов:

Неодимовые магниты имеют более высокую остаточную намагниченность, гораздо более высокую коэрцитивную силу и произведение энергии, но часто более низкую температуру Кюри, чем другие типы магнитов. Были разработаны специальные неодимовые магнитные сплавы, включающие тербий и диспрозий , которые имеют более высокую температуру Кюри, что позволяет им выдерживать более высокие температуры. В таблице ниже сравниваются магнитные характеристики неодимовых магнитов с другими типами постоянных магнитов.

Магнит B r
(T)
H ci
(кА / м)
BH макс
(кДж / м 3 )
Т С
(° C) (° F)
Nd 2 Fe 14 B, спеченный 1,0–1,4 750–2000 200–440 310–400 590–752
Nd 2 Fe 14 B, связанный 0,6–0,7 600–1200 60–100 310–400 590–752
SmCo 5 , спеченный 0,8–1,1 600–2000 120–200 720 1328
Sm (Co, Fe, Cu, Zr) 7 , спеченный 0,9–1,15 450–1300 150–240 800 1472
Алнико, спеченный 0,6–1,4 275 10–88 700–860 1292–1580
Sr-феррит, спеченный 0,2–0,78 100–300 10–40 450 842

Физико-механические свойства

Микрофотография NdFeB. Области с зубчатыми краями - это металлические кристаллы, а полосы внутри - магнитные домены .
Сравнение физических свойств спеченных неодимовых и Sm-Co магнитов
Имущество Неодим Sm-Co
Remanence ( T ) 1–1,5 0,8–1,16
Коэрцитивность (МА / м) 0,875–2,79 0,493–2,79
Проницаемость отдачи 1.05 1,05–1,1
Температурный коэффициент намагничивания (% / K) - (0,12–0,09) - (0,05–0,03)
Температурный коэффициент коэрцитивной силы (% / K) - (0,65–0,40) - (0,30–0,15)
Температура Кюри (° C) 310–370 700–850
Плотность (г / см 3 ) 7,3–7,7 8,2–8,5
Коэффициент теплового расширения параллельно намагничиванию (1 / K) (3–4) × 10 −6 (5–9) × 10 −6
Коэффициент теплового расширения перпендикулярно намагниченности (1 / K) (1–3) × 10 −6 (10–13) × 10 −6
Прочность на изгиб (Н / мм 2 ) 200–400 150–180
Прочность на сжатие (Н / мм 2 ) 1000–1100 800–1000
Предел прочности на разрыв (Н / мм 2 ) 80–90 35–40
Твердость по Виккерсу (HV) 500–650 400–650
Удельное электрическое сопротивление (Ом · см) (110–170) × 10 −6 (50–90) × 10 −6

Проблемы с коррозией

Эти неодимовые магниты сильно корродировали после пяти месяцев погодных условий.

Спеченный Nd 2 Fe 14 B склонен к коррозии , особенно по границам зерен спеченного магнита. Этот тип коррозии может вызвать серьезное повреждение, в том числе крошку магнита в порошок из мелких магнитных частиц или отслоение поверхностного слоя.

Эта уязвимость устраняется во многих коммерческих продуктах путем добавления защитного покрытия для предотвращения воздействия атмосферы. Никелирование или двухслойное медно-никелевое покрытие являются стандартными методами, хотя также используются покрытия из других металлов или полимерные и лаковые защитные покрытия.

Температурные эффекты

Неодим имеет отрицательный коэффициент, что означает, что коэрцитивная сила вместе с плотностью магнитной энергии ( BH max ) уменьшается с температурой. Магниты из неодима-железа-бора имеют высокую коэрцитивную силу при комнатной температуре, но при повышении температуры выше 100 ° C (212 ° F) коэрцитивная сила резко уменьшается до температуры Кюри (около 320 ° C или 608 ° F). Это падение коэрцитивного ограничивает эффективность магнита при высокотемпературных условиях , например, в ветровых турбинах, гибридные двигатели и т.д. диспрозий (Dy) или тербия (Tb) добавляются к сдерживанию падения производительности от изменений температуры, что делает магнит еще дороже.

Опасности

Большие силы, проявляемые редкоземельными магнитами, создают опасности, которые могут не возникнуть с другими типами магнитов. Неодимовые магниты размером более нескольких кубических сантиметров достаточно сильны, чтобы вызывать травмы частей тела, зажатых между двумя магнитами или магнитом и поверхностью черного металла, даже вызывая переломы костей.

Магниты, которые подходят слишком близко друг к другу, могут ударить друг друга с достаточной силой, чтобы сломать и разбить хрупкие магниты, а летящие стружки могут вызвать различные травмы, особенно травмы глаз . Были даже случаи, когда маленькие дети, проглотившие несколько магнитов, зажимали участки пищеварительного тракта между двумя магнитами, что приводило к травмам или смерти. Кроме того, это может быть серьезным риском для здоровья при работе с машинами, которые имеют магниты внутри или к ним. Более сильные магнитные поля могут быть опасны для механических и электронных устройств, поскольку они могут стирать магнитные носители, такие как дискеты и кредитные карты , а также намагничивать часы. и теневые маски из ЭЛТ - мониторов типа на большем расстоянии , чем другие типы магнита. В некоторых случаях сколотые магниты могут создавать опасность возгорания, поскольку они собираются вместе, посылая искры, летящие, как если бы они были более легким кремнем , потому что некоторые неодимовые магниты содержат ферроцерий .

Производство

Существует два основных метода производства неодимовых магнитов:

  • Классическая порошковая металлургия или процесс спеченного магнита
    • Спеченные неодимовые магниты получают путем плавления сырья в печи, заливки в форму и охлаждения для формирования слитков. Слитки измельчаются и размалываются; затем порошок спекается в плотные блоки. Затем блоки подвергаются термообработке, нарезке по форме, поверхностной обработке и намагничиванию.
  • Быстрое затвердевание или процесс приклеивания магнита

В 2015 году японская корпорация Nitto Denko объявила о разработке нового метода спекания неодимового магнитного материала. В этом методе используется «органическая / неорганическая гибридная технология» для образования глиноподобной смеси, которой можно придавать различные формы для спекания. Наиболее важно то, что можно контролировать неоднородную ориентацию магнитного поля в спеченном материале для локальной концентрации поля, например, для улучшения характеристик электродвигателей. Серийное производство запланировано на 2017 год.

По состоянию на 2012 год в Китае ежегодно официально производилось 50 000 тонн неодимовых магнитов, а в 2013 году производилось 80 000 тонн в рамках наращивания «компания за компанией». Китай производит более 95% редкоземельных элементов и производит около 76 % всех редкоземельных магнитов в мире, а также большая часть неодима в мире.   

Приложения

Существующие магнитные приложения

Кольцевые магниты
Большинство жестких дисков имеют сильные магниты.
В этом фонарике с ручным приводом используется неодимовый магнит для выработки электроэнергии.

Неодимовые магниты заменили альнико- ферритовые магниты во многих бесчисленных применениях современной технологии, где требуются сильные постоянные магниты, потому что их большая сила позволяет использовать меньшие и более легкие магниты для данного приложения. Вот несколько примеров:

  • Электрогенераторы для ветряных турбин (только с возбуждением от постоянных магнитов)
  • Звуковая катушка
  • Разъединители для корпусов устройств розничной торговли
  • В обрабатывающей промышленности мощные неодимовые магниты используются для улавливания инородных тел и защиты продукции и процессов.

Новые приложения

Сферы неодимового магнита в форме куба

Большая сила неодимовых магнитов вдохновила на новые применения в областях, где магниты раньше не использовались, таких как магнитные ювелирные застежки, детские магнитные конструкторы (и другие игрушки с неодимовыми магнитами ), а также как часть механизма закрытия современного спортивного парашютного оборудования. Они являются основным металлом в ранее популярных магнитах для настольных игрушек Buckyballs и Buckycubes, хотя некоторые розничные продавцы в США решили не продавать их из соображений безопасности детей, и они были запрещены в Канаде по той же причине. .

Однородность напряженности и магнитного поля на неодимовых магнитах также открыла новые возможности в области медицины с появлением сканеров открытой магнитно-резонансной томографии (МРТ), используемых для визуализации тела в радиологических отделениях в качестве альтернативы сверхпроводящим магнитам, в которых используется катушка из сверхпроводящего материала. проволока для создания магнитного поля.

Неодимовые магниты используются в качестве хирургически установленной антирефлюксной системы, которая представляет собой группу магнитов, хирургически имплантированных вокруг нижнего сфинктера пищевода для лечения гастроэзофагеальной рефлюксной болезни (ГЭРБ). Их также имплантировали в кончики пальцев , чтобы обеспечить сенсорное восприятие магнитных полей, хотя это экспериментальная процедура, популярная только среди биохакеров и гриндеров .

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

внешние ссылки