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.
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, поэтому в чистом виде 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 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 · 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. 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 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 [8] | ? | 770 [9] |
Источник: [ необходима цитата ]
Типы
Самарий-кобальт
Магниты из самария и кобальта (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
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 постоянно 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. [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, проглотивших несколько магнитов, складка пищеварительного тракта защемлялась между магнитами, что привело к травмам, а в одном случае - к перфорации кишечника, сепсису и смерти. [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]
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
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 коробки передач и дифференциалы), чтобы удерживать указанные частицы вне циркуляции, тем самым делая их неспособными вызывать абразивный износ движущихся частей машин
Другие приложения
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 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 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
В рамках проекта Европейского Союза ETN-Demeter (Европейская обучающая сеть по проектированию и переработке редкоземельных двигателей и генераторов на постоянных магнитах в гибридных и полностью электрических транспортных средствах) [15] исследуется 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 . [16]
Смотрите также
- Циркулярная экономика - регенеративная система, в которой минимизированы ввод ресурсов и отходы, выбросы и утечка энергии.
- Лантаноид - трехвалентные металлические редкоземельные элементы
- Магнитная рыбалка - поиск ферромагнитных предметов в открытых водах.
- Переработка - переработка отходов в новые продукты
- Самариево-кобальтовый магнит - сильный постоянный магнит из сплава редкоземельного элемента и кобальта.
Рекомендации
- ^ Cullity, BD; Грэм, компакт-диск (2008). Введение в магнитные материалы . Wiley-IEEE. п. 489. ISBN. 0-471-47741-9.
- ^ 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 .
- ^ Маккейг, Малкольм (1977). Постоянные магниты в теории и практике . США: Wiley. п. 123. ISBN 0-7273-1604-4.
- ^ Сигель, Астрид; Гельмут Сигель (2003). Лантаноиды и их взаимосвязь с биосистемами . США: CRC Press. стр. v. ISBN 0-8247-4245-1.
- ^ Боббер, 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.
- ^ 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 .
- ^ Чу, Стивен (2011). Стратегия критических материалов . Издательство ДИАНА. стр. 96 -98. ISBN 1437944183.
Китай редкоземельные магниты.
- ^ Введение в магниты и магнитные материалы, Дэвид Джайлс, Ames Laboratrories, Министерство энергетики США, 1991
- ^ 3 Источники:
- Байхнер и Серуэй. 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.
- ^ Суэйн, Фрэнк (6 марта 2009 г.). «Как убрать палец двумя супермагнитами» . Блог Sciencepunk . ООО «Сид Медиа Групп» . Проверено 1 ноября 2017 .
- ^ a b c d Количество детей, проглатывающих опасные магнитные волны, резко возрастает, поскольку промышленность в значительной степени контролирует себя
- ^ «Предупреждение о безопасности при использовании магнита» (PDF) . Комиссия США по безопасности потребительских товаров . Проверено 20 июля 2014 года .
- ^ «Снимок отзыва CPSC» (PDF) . Олстон и Берд. Декабрь 2016 г.
- ^ «Финансирование исследований в области постоянных магнитов, не содержащих редкоземельные элементы» . ARPA-E . Проверено 23 апреля 2013 года .
- ^ «ДЕМЕТР проект» . etn-demeter.eu .
- ^ «Проект REE-CYCLE» . cordis.europa.eu .
дальнейшее чтение
- Фурлани Эдвард П. (2001). «Постоянный магнит и электромеханические устройства: материалы, анализ, применение». Серия академической прессы по электромагнетизму. ISBN 0-12-269951-3 .
- Кэмпбелл Питер (1996). «Материалы с постоянными магнитами и их применение» (Кембриджские исследования магнетизма). ISBN 978-0-521-56688-9 .
- Браун, DN; Б. Смит; BM Ma; П. Кэмпбелл (2004). «Зависимость магнитных свойств и горячей обрабатываемости 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
- Стандартные спецификации для материалов с постоянными магнитами (Ассоциация производителей магнитных материалов)
- Эдвардс, Лин (22 марта 2010 г.). «Соединение железа и азота образует самый сильный из известных магнитов» . PhysOrg .