Неодијумски магнети

Из Википедије, слободне енциклопедије
Никловани неодијумски магнет на носачу за хард диск
Никловане неодијумске магнетне коцкице.
Лево: Висока резолуција микроскопске слике преноса електрона Nd2Fe14B; Десно: Кристална структура са означеним ћелијама исте.

Неодијумски магнет (такође познат као NdFeB, NIB или као Нео магнет, највише коришћен за ретке врсте магнета) је стални магнет направљен од легуре неодијумски, гвожђа и бора који у скупу формирају Nd2Fe14B тетрагоналну кристалну структуру. Пронађен 1982. године од стране Џенерал Моторса и Сумитомо племенитих метала, неодијумски магнети су најјачи тип сталног магнета који су комерцијално доступни. Они су заменили друге врсте магнета у многим апликацијама у модерним производима који захтевају јаке, сталне магнете, као што су мотори у акумулаторским алаткама, хард дискови и магнетни спојеви. 

Објашњење[уреди]

Тетрагонална кристална структура Nd2Fe14B има изузетно високу једноаксијалну магнетнокристалну аизотропију (HA ~ 7 тесла - магнетно поље снаге H у A/m односу магнетног момента у A.m2). [4] Ово даје једињење које има потенцијал за високу коерцивицију (тј. отпор према демагнетизацији). Једињење такође има високу магнетизацију засићења (Js ~ 1.6 T или 16 kG) и типично 1.3 Тесла. Стога, као што је максимална густина енергије пропорционална са Јs2, ова магнетна фаза има потенцијал за складиштење велике количине магнетне енергије (BHmax ~ 512 kJ/m3 или 64 MG•Oe). Ова некретнина је знатно већа у NdFeB легури него у самаријум-кобалт (SmCo) магнетима, који су важили за прву врсту ретких магнета који су комерцијализовани. У пракси, магнетне особине неодијумских магнета зависе од састава легуре, микроструктуре и техника израде запослених. 

Историја[уреди]

1982. године, Џенерал Моторс (GM) и Сумитомо Специјални Метали открили су Nd2Fe14B једињење. Истраживање је првобитно вођено високо свежим сировинама и трошковима за SmCo сталне магнете, који су раније откривени. GM се фокусирао на развој растопа нанокристалних магнета Nd2Fe14B, док је Сумитомо развио пуне густине синтерованих магнета Nd2Fe14B. 

GM је комерцијализовао своје изуме изотропног Нео праха, везаних Нео магнета и односе производних процеса основане од стране Магнекуенча 1986. (Магнекуенч је од тада постао део технологије Нео материјала, која је касније припојена Моликорп-у). Компанија је правила топљени прах Nd2Fe14B за везане магнете произвођача. 

Сумитомо објекат је постао део Хитачи корпорације и тренутно се бави производњом и лиценцирањем других компанија за производњу синтерованих магнета Nd2Fe14B. Хитачи држи више од 600 патената који покривају неодијумске магнете.  

Кинески произвођачи су постали доминантна сила у производњи неодијумских магнета због контроле над већином светских ресурса ретких земљиних руда. 

Министарство за енергију САД је идентификовало потребу да се пронађе замена за ретке земљине метале у перманентној магнетној технологији и започело је финансирање таквих истраживања. The Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) је спонзорисао Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT) програм да би развили алтернативне материјале. У 2011. години, ARPA-E додељује 31.6 милиона долара за проналажење ретке замене. 

Продукција[уреди]

Постоје две основне методе за прављење неодијумских магнета:

  •  Класична металургија праха или синтерован процес магнета
  • Брза солидификација или везан процес магнета

Синтеровани Nd-магнети се праве тако што се живи материјали топе у пећници, затим се сипају у калуп и хладе правећи полуге. Полуге се дробе и мељу; прах се затим синтерује у густе блокове. Блокови се термички обрађују, секу у облике и површине им се намагнетишу. 

У 2015. Nitto Denko корпорација Јапана најавила је свој развој нове методе синтеровања материјала неодијумског магнета. Метод искоришћава "органске/неорганске хибридне технологије" за образовање глинасте смеше која може бити обликована у различите облике за синтеровање. Речено је да је могуће контролисати неуниформираност оријентације магнетног поља у синтерованом материјалу да би локално концентрисали поље да, нпр, побољша перформансе електромотора. Масовна производња планирана је за 2017. годину.

Од 2012. године, 50.000 тона неодијумских магнета је званично произведено сваке године у Кини, и 80.000 тона у, "компанија за компанију", нагомилавању направљеном у 2013. години. Кина производи више од 95% ретких земљиних елемената, и производи око 76% укупних ретких земљиних магнета. 

Везани Nd-магнети су направљени топљењем танке траке која се врти направљене од NdFeB легуре. Трака садржи насумично оријентисана Nd2Fe14B нано зрна. Ова трака се затим дроби у честице, помешана са полимером па се затим компресује или убризгава у калупе везаних магнета. Везани магнети нуде мање флексибилан интензитет од синтерованих магнета, али могу бити нето-обликовани и формирани у замршеном облику, као што је типично за Халбеч низове и лукове, трапезоиде и друге облике (нпр. Пот магнети, сепараторске решетке, итд.). Постоји око 5.500 тона Нео везаних магнета произведених сваке године. Поред тога, могуће је топити нанокристалне честице у потпуно густе изотропне магнете, а затим их загрејати и истиснути у високо-енергетске анизотропне магнете. 

Величине[уреди]

Неодијум магнети (мали цилиндри) за дизање челичних сфера. Такви магнети могу лако да подигну хиљаду пута већу тежину од своје.

Оцене[уреди]

Неодијумски магнети су оцењени према максималном енергетском производу, који се односи на излазни магнетни флукс и снагу по јединици запремине. Више вредности указују на јаче магнете и крећу се од N35 до N52. Слова која следе оцене указују на максималну радну температуру (често је то температура Кјури), која се креће од М (до 100 степени целзијуса) до EH (200 степени целзијуса).

 Оцене неодијумских магнета: 

  • N35-N52
  • 33M-48M
  • 30H-45H
  • 30SH-42SH
  • 30UH-35UH
  • 28EH-35EH

Магнетна својства[уреди]

Неке важне особине коришћене за поређење сталних магнета су: 

remanence (Br)
који мери јачину магнетног поља
coercivity (Hci)
отпорност материјала да постане демагнетизован
energy product (BHmax)
густина магнетне енергије
Curie temperature (TC)
температура при којој материјал губи магнетизам

Неодијумски магнети имају већу реманенсу, много већу коерцивацију и енергију производа, али често нижу температуру Кјури него друге врсте. Неодијум је легурисана са тербијумом и диспрозијумом у циљу очувања својих магнетних својстава на високим температурама. У табели испод направљено је поређење магнетне перформансе неодијумских магнета и других врста сталних магнета. 

Магнет Br (T) Hci (kA/m) BHmax (kJ/m3) TC (°C) TC (°F)
Nd2Fe14B (синтерован) 1.0–1.4 750–2000 200–440 310–400 590–752
Nd2Fe14B (везани) 0.6–0.7 600–1200 60–100 310–400 590–752
SmCo5 (синтерован) 0.8–1.1 600–2000 120–200 720 1328
Sm(Co, Fe, Cu, Zr)7 (синтерован) 0.9–1.15 450–1300 150–240 800 1472
Alnico (синтерован) 0.6–1.4 275 10–88 700–860 1292–1580
Sr-ferrite (синтерован) 0.2–0.78 100–300 10–40 450 842

 Физичка и механичка својства[уреди]

 Поређење физичких особина синтерованог неодијума и Sm-Co
Особина Неодијум Sm-Co
Ремененса (T) 1–1.3 0.82–1.16
Коерцивација (MA/m) 0.875–1.99 0.493–1.59
Релативна пермеабилност 1.05 1.05
Температура коефицијента реманенсе (%/K) −0.12 −0.03
Температура коефицијента коерцивације (%/K) −0.55..–0.65 −0.15..–0.30
Кјури температура (°C) 320 800
Густина (g/cm3) 7.3–7.5 8.2–8.4
CTE, магнетизација правца (1/K) 5.2×10−6 5.2×10−6
CTE, нормално на магнетизацију правца (1/K) −0.8×10−6 11×10−6
Отпорност на савијање (N/mm2) 250 150
Чврстоћа на притисак (N/mm2) 1100 800
Затезна чврстоћа (N/mm2) 75 35
Викерс тврдоћа (HV) 550–650 500–650
Електрична отпорност (Ω·cm) (110–170)×10−6 86×10−6

Проблеми корозије[уреди]

Синтеровани Nd2Fe14B тежи да буде рањив на корозију, нарочито дуж зрна граница синтерованог магнета. Овај тип корозије може изазвати озбиљно погоршање, укључујући крзање магнета у прах малих магнетних честица или других оштећења површинског слоја. 

Ова рањивост је упућена у многим комерцијалним производима додавањем заштитног слоја који спречава изложеност атмосфери. Никловање или двослојне бакар-никл превлаке су стандардне методе, мада превлаке са другим металима, или премазивање полимера и лакова је такође у употреби.  

Опасности[уреди]

Што је већа сила која делује од стране ретких земљиних магнета ствара се опасност која се не ствара са другим врстама магнета. Неодијумски магнети већи од неколико кубних центиметара су довољно јаки да изазову повреде на деловима тела стегнутих између два магнета, или магнета и металне подлоге, чак изазивају и сломљене кости.

Магнети којима је дозвољено да буду близу један другом могу да ударе један другог толико јако да поломе или окрзну крхке материјале, и делићи који лете могу да нанесу повреде. Били су чак и случајеви у којима су деца прогутала неколико магнета и магнети су им прекљештили органе, доводећи до повреда или чак и смрти. Јача магнетна поља могу да буду опасна по механичке и електронске уређаје, они могу да обришу магнетне медије као што су флопи дискови, кредитне картице и магнетишу сатове и замрачене маске CRT монитора много више него неке друге врсте магнета. 

Апликације[уреди]

Постојеће магнетне апликације[уреди]

Мегнети у облику прстења
Хард диск

Неодијумски магнети су заменили алнико и ферит магнете у многим апликацијама у модерној технологији где се захтевају јаки стални магнети, јер њихова већа снага омогућава коришћење мањих, лакших магнета за дату примену. Неки примери су: 

 Неодијумски садржај процењује се на 31% од магнетне тежине.

Нове апликације[уреди]

 Конструкција неодијумских магнетних сфера у облик коцке

Поред тога, већa снага неодијумских магнета је инспирисала нове апликације у областима у којима магнети нису коришћени раније, као што су магнетне накитне копче, дечји магнетни грађевински сетови (и друге неодијумске магнетне играчке) и као део механизма за затварање модерног спортског падобрана. Они су такође главни метали у бившим популарним магнетним стоним играчкама, "Бакиболс", мада неки трговци су изабрали да их не продају због безбедности деце. 

Снага и магнетно поље хомогености на неодијумским магнетима је отворила нове апликације у области медицине са увођењем отворене магнетне резонанце (MRI) скенера који се користе за сликање тела у одељењу радиологије као алтернатива суперпроводних магнета који користе калем суперпроводних жица да се произведе магнетно поље. 

Неодијумски магнети се користе против рефлуксног система који представља групу магнета постављене хируршким путем око желуца за лечење гастроезофагусне рефлуксне болести (GERD).  

Види још[уреди]

Референце[уреди]