Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
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. . [1] [2]

Термин «редкоземельные элементы» может вводить в заблуждение, поскольку некоторые из этих металлов могут быть [3] [4] такими же распространенными в земной коре, как олово или свинец [5], но редкоземельные руды не существуют в пластах (например, уголь или медь), поэтому в любом кубическом километре корки они «редки». Основным источником в настоящее время является Китай . [6] Некоторые страны классифицируют редкоземельные металлы как стратегически важные [7], а недавние ограничения на экспорт этих материалов из Китая привели к тому, что некоторые страны инициировали исследовательские программы по разработке сильных магнитов, не требующих использования 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 [ править ]

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 намагничивания придает этим соединениям очень высокую магнитную коэрцитивную силу (сопротивление размагничиванию), так что сильное размагничивающее поле внутри готового магнита не снижает размагничиваемость материала.намагниченность .
  • 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 таким образом, что они вращаются в одном направлении, создают магнитное поле. Это дает материалам высокую остаточную намагниченность ( намагниченность насыщения J s  ). Максимальная плотность энергии B · Hmax пропорционален Дж / с 2 , поэтому эти материалы обладают способностью накапливать большое количество 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 [ править ]

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. Магниты из редкоземельных элементов 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 2Fe 14 B) и самарий-кобальт (SmCo 5 ) с другими типами постоянных магнитов.

МагнитподготовкаB r
( T )		Н CI
(к / м)		В · Н макс
(к J / м 3 )		Т С
( ° С )
Nd 2 Fe 14 Bспеченный1,0–1,4750–2000200–440310–400
Nd 2 Fe 14 Bсвязанный0,6–0,7600–120060–100310–400
SmCo 5спеченный0,8–1,1600–2000120–200720
Sm (Co, Fe, Cu, Zr) 7спеченный0,9–1,15450–1300150–240800
Алникоспеченный0,6–1,427510–88700–860
Sr-ферритспеченный0,2–0,4100–30010–40450
Железный (Fe) стержневой магнитотожженный?800 [8]?770 [9]

Источник: [ необходима цитата ]

Типы [ править ]

Самарий-кобальт [ править ]

Основная статья: Самариево-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 [ править ]

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 магнитостойкими), но у них более низкая температура 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 постоянно становились все дешевле, а их более низкая стоимость вдохновила на новые применения, такие как магнитные конструкторы .

Опасности [ править ]

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. [10] Магниты, которым разрешено подойти 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. [11] У маленьких детей, которые проглотили несколько магнитов, складка пищеварительного тракта зажата между магнитами, что привело к травмам и, в одном случае, перфорации кишечника,сепсис и смерть. [12]

В 2007 году был принят добровольный стандарт для игрушек, в котором сильные магниты постоянно соединяются для предотвращения проглатывания и ограничивается сила неподключенных магнитов. [11] В 2009 году внезапный рост продаж настольных магнитных игрушек для взрослых вызвал всплеск травматизма, что привело к возникновению чрезвычайных ситуаций. в 2012 году количество посещений комнат оценивалось в 3617 человек. [11] В ответ Комиссия по безопасности потребительских товаров США приняла в 2012 году правило, ограничивающее размер редкоземельных магнитов в потребительских товарах, но оно было отменено решением федерального суда США в ноябре 2016 года в дело, принесенное одним оставшимся производителем. [13] После того, как правило было аннулировано, количество случаев проглатывания в стране резко выросло и, по оценкам, превысит 1500 в 2019 году. [11]

Дополнительная информация: Игрушки с неодимовым магнитом.

Приложения [ править ]

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 [ править ]

Неодимовые магнитные шарики

Общие применения редкоземельных магнитов включают:

  • компьютерные жесткие диски
  • генераторы ветряных турбин
  • колонки / наушники
  • велосипедные динамо
  • МРТ сканеры
  • тормоза для рыболовной катушки
  • двигатели с постоянными магнитами в аккумуляторных инструментах
  • высокопроизводительные серводвигатели переменного тока
  • тяговые двигатели и встроенные стартер-генераторы в гибридных и электромобилях
  • фонари с механическим приводом , использующие редкоземельные магниты для генерации электричества при встряхивании или вращении (с ручным приводом)
  • промышленное использование, такое как поддержание чистоты продукта, защита оборудования и контроль качества
  • улавливание мелких металлических частиц в смазочных маслах (картеры двигателей внутреннего сгорания, а также в коробках передач и дифференциалах), чтобы удерживать указанные частицы вне циркуляции, тем самым делая их неспособными вызывать абразивный износ движущихся частей машин

Другие приложения [ править ]

Другие применения редкоземельных магнитов включают:

  • Линейные двигатели (используются в поездах на магнитной подвеске и т. Д.)
  • Покадровая анимация: в качестве привязки, когда использование традиционных креплений винтом и гайкой нецелесообразно.
  • Эксперименты по диамагнитной левитации , изучение динамики магнитного поля и левитации сверхпроводника .
  • Электродинамические подшипники
  • Запущены технологии американских горок, которые можно найти на американских горках и других аттракционах .
  • LED Throwies , маленькие светодиоды, прикрепленные к кнопочной батарее и небольшому редкоземельному магниту, используемые как форма неразрушающего граффити и временного паблик-арта.
  • Игрушки с неодимовым магнитом
  • Электрические пикапы гитары
  • Миниатюрные фигурки , для которых редкоземельные магниты приобрели популярность в игровом сообществе миниатюр из-за их небольшого размера и относительной силы, помогающих базировать и менять оружие между моделями.

Постоянные магниты, не содержащие редкоземельные элементы [ править ]

США Министерство энергетики определила необходимость поиска заменителей для редкоземельных металлов в постоянных магнитах технологии и начало финансирование таких исследований. Агентство перспективных исследовательских проектов в области энергетики (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. [14]

Усилия по переработке [ править ]

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) [15] исследуется экологически безопасная конструкция электродвигателей, используемых в транспортных средствах. Например, они разрабатывают электродвигатели, в которых магниты можно легко удалить 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 . [16]

См. Также [ править ]

  • Переработка отходов
  • Циркулярная экономика

Ссылки [ править ]

  1. ^ Cullity, BD; Грэм, компакт-диск (2008). Введение в магнитные материалы . Wiley-IEEE. п. 489. ISBN. 0-471-47741-9.
  2. ↑ Лавлейс, Алан М. (март – апрель 1971 г.). «Больше пробега, чем предусмотрено военными исследованиями и разработками» . Обзор авиационного университета . ВВС США. 22 (3): 14–23 . Проверено 4 июля 2012 года .
  3. ^ Маккейг, Малкольм (1977). Постоянные магниты в теории и практике . США: Wiley. п. 123. ISBN 0-7273-1604-4.
  4. ^ Сигель, Астрид; Гельмут Сигель (2003). Лантаноиды и их взаимосвязь с биосистемами . США: CRC Press. стр. v. ISBN 0-8247-4245-1.
  5. ^ Поплавок, RJ (1981). «Новые типы преобразователей». Подводная акустика и обработка сигналов . п. 243. DOI : 10.1007 / 978-94-009-8447-9_20 . ISBN 978-94-009-8449-3.
  6. ↑ Уолш, Брайан (13 марта 2012 г.). «Редко в бой: США спорят с Китаем из-за экспорта редкоземельных элементов» . Журнал Time . Проверено 13 ноября 2017 года .
  7. ^ Чу, Стивен (2011). Стратегия критических материалов . ДИАНА Паблишинг. стр.  96 -98. ISBN 1437944183. Китай редкоземельные магниты.
  8. ^ Введение в магниты и магнитные материалы, Дэвид Джайлс, Лаборатория Эймса, Министерство энергетики США, 1991
  9. ^ 3 Источники:
    • Байхнер и Сервей. Физика для ученых и инженеров с современной физикой. 5-е изд. Орландо: Колледж Сондерса, 2000: 963.
    • Температура Кюри. "Энциклопедия науки и техники Макгроу-Хилла. 8-е изд. 20 томов. НП: МакГроу-Хилл, 1997.
    • Холл, он и младший Крюк. Физика твердого тела. 2-е изд. Чичестер: John Wiley & Sons Ltd, 1991: 226.
  10. ↑ Свейн, Фрэнк (6 марта 2009 г.). «Как убрать палец двумя супермагнитами» . Блог Sciencepunk . ООО «Сид Медиа Групп» . Проверено 1 ноября 2017 .
  11. ^ a b c d Количество детей, проглатывающих опасные магнитные волны, резко возрастает, поскольку промышленность в значительной степени контролирует себя
  12. ^ "Предупреждение о безопасности при использовании магнита" (PDF) . Комиссия США по безопасности потребительских товаров . Проверено 20 июля 2014 года .
  13. ^ "Снимок отзыва CPSC" (PDF) . Олстон и Бёрд. Декабрь 2016 г.
  14. ^ "Финансирование исследований редкоземельных постоянных магнитов" . ARPA-E . Проверено 23 апреля 2013 года .
  15. ^ "ДЕМЕТР проект" . etn-demeter.eu .
  16. ^ "Проект REE-CYCLE" . cordis.europa.eu .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Эдвард П. Фурлани, "Постоянный магнит и электромеханические устройства: материалы, анализ и применение", Серия Academic Press по электромагнетизму (2001). ISBN 0-12-269951-3 . 
  • Питер Кэмпбелл, «Материалы с постоянными магнитами и их применение» (Кембриджские исследования в области магнетизма) (1996). ISBN 978-0-521-56688-9 . 
  • Браун, DN; Б. Смит; BM Ma; П. Кэмпбелл (2004). "Зависимость магнитных свойств и работоспособности редкоземельных железо-боридных магнитов от состава" (PDF) . IEEE Transactions on Magnetics . 40 (4): 2895–2897. Bibcode : 2004ITM .... 40.2895B . DOI : 10,1109 / TMAG.2004.832240 . ISSN  0018-9464 . Архивировано из оригинального (PDF) 25 апреля 2012 года.

Внешние ссылки [ править ]

  • Стандартные спецификации для материалов с постоянными магнитами (Ассоциация производителей магнитных материалов)
  • Эдвардс, Лин (22 марта 2010 г.). «Соединение железа с азотом образует самый сильный из известных магнитов» . PhysOrg .