Редкоземельный магнит - Rare-earth magnet

Феррожидкость на стекле с редкоземельным магнитом под ним

Редкоземельные магниты сильные постоянные магниты , изготовленные из сплавов с редкоземельными элементами . Редкоземельные магниты, разработанные в 1970-х и 1980-х годах, представляют собой самый сильный тип постоянных магнитов, производящих значительно более сильные магнитные поля, чем другие типы магнитов, такие как ферритовые или алнико- магниты. Магнитное поле , как правило , получают путем редкоземельных магнитов может превышать 1,4 Тл , в то время как феррит или керамические магниты обычно имеют поля от 0,5 до 1 Тл.

Есть два типа: неодимовые магниты и самариево-кобальтовые магниты . Магниты из редкоземельных металлов чрезвычайно хрупкие, а также подвержены коррозии , поэтому на них обычно наносят гальваническое покрытие или покрытие, чтобы защитить их от разрушения, сколов или рассыпания в порошок.

Разработка редкоземельных магнитов началась примерно в 1966 году, когда К.Дж. Стрнат и Г. Хоффер из Лаборатории материалов ВВС США обнаружили, что сплав иттрия и кобальта , YCo 5 , имеет самую большую константу магнитной анизотропии из всех известных на тот момент материалов. .

Термин «редкоземельные элементы» может вводить в заблуждение, поскольку некоторые из этих металлов могут присутствовать в земной коре в таком же изобилии , как олово или свинец, но редкоземельные руды не существуют в пластах (таких как уголь или медь), поэтому в любом заданном кубическом километре корки они «редкие». Основным источником в настоящее время является Китай . Некоторые страны классифицируют редкоземельные металлы как стратегически важные, и недавние ограничения на экспорт этих материалов из Китая привели к тому, что некоторые из них инициировали исследовательские программы по разработке сильных магнитов, не требующих редкоземельных металлов.

Неодимовые магниты (маленькие цилиндры) поднимают стальные шарики. Как показано здесь, редкоземельные магниты могут легко поднимать вес, в тысячи раз превышающий их собственный.

Объяснение силы

Редкоземельные элементы ( лантаноиды ) - это металлы, которые являются ферромагнитными , что означает, что, как и железо, они могут быть намагничены, чтобы стать постоянными магнитами , но их температуры Кюри (температура, выше которой исчезает их ферромагнетизм) ниже комнатной температуры, поэтому в чистом виде их магнетизм появляется только при низких температурах. Однако они образуют соединения с переходными металлами, такими как железо , никель и кобальт , и некоторые из этих соединений имеют температуру Кюри намного выше комнатной. Из этих соединений делают магниты из редкоземельных металлов.

Большая сила редкоземельных магнитов в основном обусловлена ​​двумя факторами:

  • Во-первых, их кристаллические структуры обладают очень высокой магнитной анизотропией . Это означает, что кристалл материала предпочтительно намагничивается вдоль определенной оси кристалла, но его очень трудно намагничивать в других направлениях. Как и другие магниты, магниты из редкоземельных элементов состоят 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 намагниченности придает этим соединениям очень высокую магнитную коэрцитивность (сопротивление размагничиванию), так что сильное размагничивающее поле внутри готового магнита не снижает намагниченность материала .
  • Во-вторых, атомы редкоземельных элементов могут иметь высокие магнитные моменты . Их орбитальные электронные структуры содержат много неспаренных электронов ; в других элементах почти все электроны существуют в парах с противоположными спинами, поэтому их магнитные поля компенсируются, но в редкоземельных элементах магнитное подавление намного меньше. Это следствие неполного заполнения f-оболочки , которая может содержать до 7 неспаренных электронов. В магните именно неспаренные электроны, выровненные так, что они вращаются в одном направлении, создают магнитное поле. Это дает материалам высокую остаточную намагниченность ( намагниченность насыщения J s  ). Максимальная плотность энергии B · H max пропорциональна Дж / с 2 , поэтому эти материалы обладают потенциалом для хранения большого количества магнитной энергии. Произведение магнитной энергии B · H max неодимовых магнитов примерно в 18 раз больше, чем у «обычных» магнитов по объему. Это позволяет магнитам из редкоземельных элементов быть меньше, чем другие магниты с такой же напряженностью поля.

Магнитные свойства

Некоторые важные свойства, используемые для сравнения постоянных магнитов: остаточная намагниченность ( B r ), которая измеряет силу магнитного поля; коэрцитивность ( H ci ), сопротивление материала размагничиванию; энергетический продукт ( B · H max ), плотность магнитной энергии; и температура Кюри ( T C ), температура, при которой материал теряет свой магнетизм. Редкоземельные магниты имеют более высокую остаточную намагниченность, гораздо более высокую коэрцитивную силу и произведение энергии, но (для неодима) более низкую температуру Кюри, чем другие типы. В таблице ниже сравниваются магнитные характеристики двух типов редкоземельных магнитов, неодима (Nd 2 Fe 14 B) и самарий-кобальта (SmCo 5 ), с другими типами постоянных магнитов.

Магнит подготовка B r
( T )		 Н CI
(к / м)		 В · Н макс
(к J / м 3 )		 Т С
( ° С )
Nd 2 Fe 14 B спеченный 1,0–1,4 750–2000 200–440 310–400
Nd 2 Fe 14 B связанный 0,6–0,7 600–1200 60–100 310–400
SmCo 5 спеченный 0,8–1,1 600–2000 120–200 720
Sm (Co, Fe, Cu, Zr) 7 спеченный 0,9–1,15 450–1300 150–240 800
Алнико спеченный 0,6–1,4 275 10–88 700–860
Sr-феррит спеченный 0,2–0,4 100–300 10–40 450
Железный (Fe) стержневой магнит отожженный ? 800 ? 770

Источник:

Типы

Самарий-кобальт

Основная статья: Самарий-кобальтовый магнит

Самариево-кобальтовые магниты (химическая формула: Sm Co 5 ), первое семейство изобретенных редкоземельных магнитов, используются реже, чем неодимовые магниты, из-за их более высокой стоимости и меньшей напряженности магнитного поля. Однако самарий-кобальт имеет более высокую температуру Кюри , что создает нишу для этих магнитов в приложениях, где требуется высокая напряженность поля при высоких рабочих температурах . Они обладают высокой устойчивостью к окислению, но спеченные самариево-кобальтовые магниты хрупкие, склонны к скалыванию и растрескиванию, а также могут разрушаться при тепловом ударе .

Неодим

Основная статья: неодимовый магнит
Неодимовый магнит с почти полностью удаленным никелевым покрытием

Неодимовые магниты, изобретенные в 1980-х годах, являются самым мощным и доступным типом редкоземельных магнитов . Они сделаны из сплава неодима , железа и бора ( Nd 2 Fe 14 B ), иногда сокращенно NIB. Неодимовые магниты используются во многих приложениях, требующих сильных и компактных постоянных магнитов, таких как электродвигатели для аккумуляторных инструментов , жесткие диски , магнитные зажимы и застежки для ювелирных изделий. У них самая высокая напряженность магнитного поля и более высокая коэрцитивная сила (что делает их магнитостабильными), но они имеют более низкую температуру Кюри и более уязвимы к окислению, чем самариево-кобальтовые магниты.

Коррозия может привести к отколу незащищенных магнитов от поверхностного слоя или их рассыпанию в порошок. Применение защитных поверхностных обработок , такие как золото , никель , цинк и олово обшивка и эпоксидный -resin покрытие может обеспечить защиту от коррозии; в большинстве неодимовых магнитов используется никелирование для обеспечения надежной защиты.

Первоначально высокая стоимость этих магнитов ограничивала их использование в приложениях, требующих компактности вместе с высокой напряженностью поля. И сырье, и патентные лицензии были дорогими. Однако с 1990-х годов магниты NIB неуклонно становились все дешевле, а их более низкая стоимость вдохновила на новые применения, такие как магнитные конструкторы .

Опасности

Большая сила, оказываемая редкоземельными магнитами, создает опасности, которые не наблюдаются с другими типами магнитов. Магниты размером более нескольких сантиметров достаточно сильны, чтобы вызывать травмы частей тела, зажатые между двумя магнитами или магнитом и металлической поверхностью, даже вызывая переломы костей. Магниты, находящиеся слишком близко друг к другу, могут ударить друг друга с достаточной силой, чтобы расколоть и расколоть хрупкий материал, а летящие стружки могут вызвать травмы. Начиная с 2005 года, мощные магниты, отрывающиеся от игрушек или магнитных конструкторов, стали причиной травм и смертей. Маленькие дети, проглотившие несколько магнитов, зажали между магнитами складку пищеварительного тракта , что привело к травмам, а в одном случае - к перфорации кишечника, сепсису и смерти.

В 2007 году был принят добровольный стандарт для игрушек, в котором сильные магниты на постоянной основе используются для предотвращения проглатывания и ограничиваются силы неподключенного магнита. В 2009 году внезапный рост продаж настольных игрушек для взрослых на магнитной основе вызвал резкий рост травм, по оценкам, количество обращений в отделения неотложной помощи на 3617 в 2012 году. В ответ Комиссия США по безопасности потребительских товаров приняла в 2012 году правило, ограничивающее размер редкоземельных магнитов в потребительских товарах, но оно было отменено решением федерального суда США в ноябре 2016 года по делу, возбужденному оставшийся производитель. После того, как правило было отменено, количество инцидентов, связанных с проглатыванием, в стране резко выросло и, по оценкам, превысит 1500 в 2019 году.

Дополнительная информация: Игрушки с неодимовым магнитом.

Приложения

Поскольку их цены стали конкурентоспособными в 1990 - х годах, неодимовые магниты заменяли Alnico и ферритовые магниты в многих областях применения в современных технологиях требуют мощных магнитов. Их большая сила позволяет использовать меньшие и более легкие магниты для конкретного применения.

Общие приложения

Неодимовые магнитные шарики

Общие применения редкоземельных магнитов включают:

Другие приложения

Другие применения редкоземельных магнитов включают:

Постоянные магниты, не содержащие редкоземельных элементов

США Министерство энергетики определила необходимость поиска заменителей для редкоземельных металлов в постоянных магнитах технологии и начало финансирование таких исследований. Агентство перспективных исследовательских проектов (ARPA-E) 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.

Усилия по переработке

В рамках проекта Европейского союза ETN-Demeter (Европейская обучающая сеть по проектированию и переработке редкоземельных двигателей и генераторов с постоянными магнитами в гибридных и полностью электрических транспортных средствах) изучается экологически безопасная конструкция электродвигателей, используемых в транспортных средствах. Они, например, разрабатывают электродвигатели, в которых магниты могут быть легко удалены для переработки редкоземельных металлов.

Европейский Союз «s Европейский исследовательский совет также присужден главный исследователь, профессор Томас Zemb и со-руководитель проекта, д - р Жан-Кристоф П. Габриэль, Advanced Research Грант для проекта«редкоземельный элемент Recycling с низким уровнем вредных выбросов : REE-CYCLE », целью которого было найти новые процессы переработки редкоземельных элементов .

Смотрите также

Рекомендации

дальнейшее чтение

Внешние ссылки